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DIODOS
ING. RAUL ROJAS REATEGUI
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Son materiales que poseen un nivel de conductividad sobre algn punto
entre los extremos de un aislante y un conductor.
COBRE: = 10-6-cm MICA: = 1012-cm
SILICIO = 50 x 103-cm GERMANIO: = 50 -cm
Alto nivel de pureza
Existen en grandes cantidades en la naturaleza.
Cambia sus caractersticas de conductores a aislante por medio de
procesos de dopado o aplicacin de luz calor.
Semiconductores
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MATERIALES SEMICONDUCTORES (GERMANIO Y SILICIO)
Estructura atmica: Red cristalina
Electrones de valencia: 4
Semiconductores
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NIVELES DE ENERGA : Mientras ms distante se encuentre el electrn
del ncleo mayor es el estado de energa, y cualquier electrn que haya
dejado su tomo, tiene un estado de energa mayor que cualquier electrn
en la estructura atmica.
Banda de conduccin
Banda
prohibida
Eg > 5 eV
Banda de valencia
Banda de conduccin
Banda prohibida
Eg = 1.1, 0.67, 1.41 eV
Banda de valencia
Banda de conduccin
Banda de valencia
Aislante Semiconductor Conductor
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Material Intrinseco
Materiales extrinsecos
TIPO n TIPO p
Si Si Si
Si Si Si
Si Si Si
Si Si Si
Si 5 Si
Si Si Si
Si Si Si
Si 4 Si
Si Si SiAntimoni
o
Arsnico
Fsoforo
Boro
Galio
Indio
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Enlace metlico
tomos con muchos electrones, pero en su ltima
capa (capa de valencia) posee muy pocos.
Electrones muy lejos del ncleo muy poco atrados
por los protones.
Facilidad de los electrones para escapar e irse a
otro tomo.
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Aislante Conductor
En un metal conductor los electrones de valencia tienen ms energa de
la que necesitan para desligarse del tomo, mientras que en los
materiales aislantes ocurre lo contrario.
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Semiconductor
Los electrones tienen
una energa de
valencia muy
parecida a la energa
de conduccin.
As que si los
electrones pueden
ganar algo de
energa que venga
del exterior, pueden
sobrepasar la
energa de
conduccin y
marcharse del
tomo.
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Silicio
Si uno de los electrones, por efecto de la
temperatura u otras causas, abandona su lugar
otro de otro lugar puede saltar al hueco i producir
el movimiento en cadena de electrones.
Un material semiconductor hecho slo de un
solo tipo de tomo, se denomina intrnseco
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Semiconductor extrnseco
Se provoca un exceso de electrones o un exceso de huecos introduciendo nuevos tomos de
otros elementos (dopaje).
En ellos introduzco tomos de
Fsforo ( P ), Arsnico ( As ) o
Antimonio ( Sb ).
Se introducen tomos de
Boro ( B ), Galio ( Ga ) o
Indio ( In ).
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a. Semiconductor Tipo N: En este caso se contamina el material con
tomos de valencia 5, como son Fsforo (P), Arsnico (As) o
Antimonio (Sb). Al introducirlos, fuerzo al quinto electrn de este
tomo a vagar por el material semiconductor, pues no encuentra un
lugar estable en el que situarse. Al conjunto de estos electrones se
les llama electrones mayoritarios.
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Introduccin a la fsica de estado slido: semiconductores
Semiconductor extrnseco: TIPO N
Impurezas grupo V
300K
Electrones libres tomos de impurezas ionizados
Los portadores de carga en un semiconductor tipo N son
electrones libres
+
+
++
+
+
++
+
+
+
+
+
+
+
+
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b. Semiconductor Tipo P: En este caso se contamina el material
semiconductor con tomos de valencia 3, como son Boro (B), Galio
(Ga) o indio (In). Si se introduce este tomo en el material, queda un
hueco donde debera ir un electrn. Este hueco se mueve fcilmente
por la estructura como si fuese un portador de carga positiva. En este
caso, los huecos son portadores mayoritarios.
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Semiconductor extrnseco: TIPO P
300K
Huecos libres tomos de impurezas ionizados
Los portadores de carga en un semiconductor tipo P son huecos.
Actan como portadores de carga positiva.
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--
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--
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La unin P-N
La unin P-N en equilibrio
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- +
+
+ + ++
+
+
++
+
+
+
+
+
+
Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N
-
La unin P-N
La unin P-N en equilibrio
-
-
-
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-
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-
-
-
-
-
++
+
++
+
+
+
+
+
+
Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N
-
-
-
- +
+
+ +
+
+-
Zona de transicin
Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de
carga espacial denominada zona de transicin. Que acta como una barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona.
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El Arseniuro de Galio (GaAs), es semiconductor inicialmente diseado
para el uso militar y aeroespacial, hoy en da est siendo utilizado en
productos comerciales. Posee una movilidad de los electrones mayor que
en el silicio o el germanio, y la de los huecos es similar a los del silicio.
Para aadirle impurezas tipo p se utilizan materiales como el zinc, el
cadmio o el cobre. Para aadir impurezas tipo n se utilizan materiales
donadores como el azufre, el selenio, el teluro, etc.
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Los diodos pn son uniones de dos materiales semiconductores
extrnsecos tipos p y n, por lo que tambin reciben la denominacin de
unin pn.
Al extremo p, se le denomina nodo, representndose por la letra A,
mientras que la zona n, el ctodo, se representa por la letra C (o K).
DIODO
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A K
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En 1947 William Shockley, investigador de
los Laboratorios Bell, Walter Brattain y John
Barden, desarrollaron el primer dispositivo
semiconductor de germanio (Ge), al que
denominaron transistor y que se
convertira en la base del desarrollo de la
electrnica moderna.
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3.- POLARIZACION DEL DIODO
3.1.- POLARIZACION DIRECTA: Se produce Cuando hacemos coincidir
la polaridad del diodo con la de la fuente de voltaje.
+ (FUENTE) - (FUENTE)
+
(DIODO)
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(DIODO)
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La unin P-N
La unin P-N polarizada en directa
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-
-
-
-
-
+
+
++
+
+
+
-
-
-
- +
+
+ +-
--
-
+
+
+
+
+
La zona de transicin se hace ms pequea. La corriente comienza a
circular a partir de un cierto umbral de tensin directa.
P N
+
-
La unin P-N
La unin P-N polarizada en directa
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
++
+
+
+
-
-
-
- +
+
+ +-
--
-
+
+
+
+
+
La recombinacin electrn-hueco hace que la concentracin de electrones
en la zona P disminuya al alejarse de la unin.
P N
+Concentracin de huecos Concentracin de electrones
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3.2.- POLARIZACION INVERSA
Se produce cuando hacemos la polaridad del diodo con la de la fuente
de voltaje, se encuentra conectadas con la polaridad opuesta.
+ (DIODO)
+ (FUENTE)
- (DIODO)
- (FUENTE)
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La unin P-N
La unin P-N polarizada inversamente
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
++
+
+
+
-
-
-
- +
+
+ +
+
-
--
-
+
+
+
+
+
La zona de transicin se hace ms grande. Con polarizacin inversa no hay
circulacin de corriente.
P N
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4.- CARACTERSTICA DEL DIODO
a. Tensin umbral, de codo o de partida (V): Tambin llamada
barrera de potencial de polarizacin directa coincide en valor con la
tensin de la zona de carga espacial del diodo no polarizado.
Al polarizar directamente el diodo, se incrementa la corriente
alrededor del 1% de la nominal. Sin embargo, cuando la tensin
externa supera la tensin umbral, la barrera de potencial
desaparece, de forma que para pequeos incrementos de tensin se
producen grandes variaciones de la intensidad.
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b. Corriente mxima (Imax): Es la intensidad de corrientemxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el
efecto Joule. Dado que es funcin de la cantidad de calor
que puede disipar el diodo, depende sobre todo del diseo
del mismo.
c. Corriente inversa de saturacin (Is): Es la pequeacorriente que se establece al polarizar inversamente el diodo
por la formacin de pares electrn-hueco debido a la
temperatura, admitindose que se duplica por cada
incremento de 10 en la temperatura.
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e. Corriente superficial de fugas: Es la pequea corriente que
circula por la superficie del diodo (ver polarizacin inversa), esta
corriente es funcin de la tensin aplicada al diodo, con lo que al
aumentar la tensin, aumenta la corriente superficial de fugas.
f. Tensin de ruptura (Vr): Es la tensin inversa mxima que el
diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha.
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g. Modelo matemtico: El modelo matemtico ms empleado es el de
Shockley (en honor a William Bradford Shockley) que permite aproximar
el comportamiento del diodo en la mayora de las aplicaciones. La
ecuacin que liga la intensidad de corriente y la diferencia de potencial
es:
I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo y VDla diferencia de tensin entre sus extremos.
IS es la corriente de saturacin q es la carga del electrn T es la temperatura absoluta de la unin k es la constante de Boltzmann n es el coeficiente de emisin, dependiente del proceso de
fabricacin del diodo y que suele adoptar valores entre 1
(para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio).
El trmino VT = kT/q = T/11600 es la tensin debida a latemperatura, del orden de 26 mV a temperatura ambiente
(300 K 27 C).
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5.- TIPOS DE DIODOS
5.1.- DIODOS LASER
El diodo lser es un dispositivo semiconductor similar a los diodos LED
pero que bajo las condiciones adecuadas emite luz lser. A veces se los
denomina diodos lser de inyeccin, o por sus siglas inglesas LD o ILD.
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Construccin del diodo Laser: Las capas de los semiconductores
estn dispuestas de modo que se crea una regin activa en la unin p-
n, y en la que aparecen fotones como consecuencia del proceso de
recombinacin.
Una capa metlica superpuesta a las caras superior e inferior permite
aplicar un voltaje externo al lser. Las caras del semiconductor cristalino
estn cortadas de forma que se comportan como espejos de la cavidad
ptica resonante.
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Curva caracterstica: Si la condicin requerida para la accin lser de
inversin de poblacin no existe, los fotones sern emitidos por emisin
espontnea. Los fotones sern emitidos aleatoria mente en todas las
direcciones, siendo sta la base de los LED - diodo emisor de luz.
La inversin de poblacin slo se consigue con un bombeo externo.
Aumentando la intensidad de la corriente aplicada a la unin p-n, se
alcanza el umbral de corriente necesario para conseguir la inversin de
poblacin
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Estructura: Hoy en da una estructura habitual es una tira estrecha de la
capa activa (Stripe Geometry - Geometra en tiras), confinada por todos
los lados (tanto por los lados como por arriba y abajo) con otro material.
Esta familia de lseres se denomina Index Guided Lasers - Lseres
orientados al ndice. Se requieren monturas especiales para los lseres
de diodo, debido a su tamao miniaturizado, para poder ser operativos y
cmodos.
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5.2.- DIODO ZENER:
Tambin llamado diodo de avalancha, es un diodo de silicio que se ha
construido para que funcione en las zonas de rupturas. Se emplean para
producir entre sus extremos una tensin constante e independiente de la
corriente que las atraviesa segn sus especificaciones. Para conseguir
esto se aprovecha la propiedad que tiene la unin PN cuando se polariza
inversamente al llegar a la tensin de ruptura (tensin de Zener), pues la
intensidad inversa del diodo sufre un aumento brusco.
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Curva caracterstica: El efecto zener se basa en la aplicacin de
tensiones inversas que originan, debido a la caracterstica constitucin de
los mismos, fuertes campos elctricos que causan la rotura de los enlaces
entre los tomos dejando as electrones libres capaces de establecer la
conduccin. Su caracterstica es tal que una vez alcanzado el valor de su
tensin versa nominal y superando la corriente a su travs un determinado
valor mnimo, la tensin en pines del diodo se mantiene constante e
independiente de la corriente que circula por l.
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Tensiones de polarizacin inversa, conocida como tensin Zener.-
Es la tensin que el Zener va a mantener constante.
Corriente mnima de funcionamiento.- Si la corriente a travs del
zener es menor, no hay seguridad en que el Zener mantenga constante
la tensin en sus pines.
Potencia mxima de disipacin.- Como la tensin es constante, lo
nico que puede variar la corriente que lo atraviesa entre el margen de
valores comprendidos entre el valor mnimo de funcionamiento y el
correspondiente a la potencia de Zener mxima que puede disipar. Esto
nos da la potencia mxima de disipacin.
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5.3.- Un LED (Light Emitting Diode- Diodo Emisor de Luz)
Es un dispositivo semiconductor que emite radiacin visible, infrarroja o
ultravioleta cuando se hace pasar un flujo de corriente elctrica a travs
de este en sentido directo.
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5.3.1.- Clasificacin
LED monocolor: Posee un diodo que puede ser de color rojo,
naranja, amarillo, verde o azul.
LED bicolor: Estn formados por dos diodos conectados en
paralelo e inverso. Se suele utilizar en la deteccin de polaridad.
LED tricolor: Formado por dos diodos LED (verde y rojo) montado
con el ctodo comn. El terminal ms corto es el nodo rojo, el del
centro, es el ctodo comn y el tercero es el nodo verde.
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Color Tensin en directo
Rojo 1,7v
Naranja 2,0v
Amarillo 2,5v
Verde 2,5v
Azul 4,0v
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5.4.- DIODO TNEL O ESAKI
En 1958, el fsico japons Esaki, descubri que los diodos
semiconductores obtenidos con un grado de contaminacin del material
bsico mucho ms elevado que lo habitual exhiben una caracterstica
tensin-corriente muy particular.
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La corriente aumenta de modo casi proporcional a la tensin aplicada
hasta alcanzar un valor mximo, denominado corriente de cresta. A
partir de este punto, si se sigue aumentando la tensin aplicada, la
corriente comienza a disminuir y lo siga haciendo hasta alcanzar un
mnimo, llamado corriente de valle, desde el cual de nuevo aumenta.
Este comportamiento fsicos se denomina efecto tnel.
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5.5.- DIODO GUNN
Descubierto por John B. Gunn en 1963. El efecto Gunn es un instrumento
eficaz para la generacin de oscilaciones en el rango de las microondas
en los materiales semiconductores.
Gunn observ esta caracterstica en el Arseniuro de Galio (GaAs) y el
Fsforo de Indio (InP). El efecto Gunn de los semiconductores que no
depende de la unin, contactos, voltaje, corriente, no es afectado por
campos magnticos.
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Cuando se aplica un pequeo voltaje continuo (3.3 voltios / cm) a travs
de una plaquita delgada de Arseniuro de Galio (GaAs), sta presenta
caractersticas de resistencia negativa. Ahora, si esta plaquita es
conectada a un circuito sintonizado (generalmente una cavidad
resonante), se producirn oscilaciones y todo el conjunto se puede utilizar
como oscilador.
Este efecto Gunn slo se da en materiales tipo N, las oscilaciones se dan
slo cuando existe un campo elctrico.
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5.6.- DIODO PIN
Tiene una seccin central sin doparse (una capa intrnseca formando una
estructura p-intrnseca-n).
Son usados como: interruptores de alta frecuencia y atenuadores,
detectores de radiacin ionizante de gran volumen y como foto detectores,
en la electrnica de potencia. Adems, la estructura del PIN puede
encontrarse en dispositivos semiconductores de potencia, tales como
IGBTs, MOSFETs de potencia y tiristores.
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CDIGOS DE MARCA DE DIODOS
Los sistemas de codificacin ms empleados, al igual que
los diodos, son:
EUROPEO (PROELECTRON)
AMERICANO (JEDEC)
JAPONS (JIS)
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El sistema europeo queda definido por dos letras maysculas
seguidas de tres nmeros utilizados componente para equipos de
consumo y por tres letras y dos nmeros para aplicaciones
profesionales.
dos letras, [letra], nmero de serie, [sufijo]
La primera letra del cdigo indica el tipo de material semiconductor
empleado en la fabricacin (germanio, silicio,...).
CDIGOS DE MARCA EUROPEO (PROELECTRON)
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Letra Material Semiconductor
A Germanio
B Silicio
C Arsenuro de Galio
R Mezcla de materiales
Letra Material Semiconductor
A Diodo de baja seal
B Diodo Varicap
E Diodo tunel
Y Diodo Rectificador
Z Diodo Zener
La segunda indica la construccin y/o principal aplicacin.
La tercera letra indica que el dispositivo est pensado para aplicaciones
industriales o profesionales, ms que para uso comercial. suele ser una W, X, Y
o Z.
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La serie del componente es un numero que est comprendido entre
100 y 9999
La letra del sufijo cdigo indica la ganancia del componente (Baja,
Media, Alta y no definida).
Letra Ganancia
A Baja
B Media
C Alta
No definida
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El sistema Americano queda definido por un numero seguida de
letra N, la serie del componente y una letra de sufijo.
numero, [letra], nmero de serie, [sufijo]
El numero se obtiene la resta en uno el numero de pines del
componente .
Numero = (n-1)
Cdigos de marca americano (JEDEC)
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La letra ser la ene (N).
La serie del componente es un numero que est comprendido entre
100 y 9999
La letra del sufijo cdigo indica la ganancia del componente (Baja,
Media, Alta y no definida).
Letra Ganancia
A Baja
B Media
C Alta
No definida
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En el sistema japons el cdigo queda definido por un numero (numero de
pines del componente disminuido en 1), dos letras (indican el rea de
aplicacin y tipo de dispositivo), la serie del componente y sufijo.
numero, [dos letras], nmero de serie, [sufijo]
El numero se obtiene la resta en uno el numero de pines del componente .
Numero = (n-1)
CDIGOS DE MARCA JAPONS (JIS)
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Las dos letras indican el rea de aplicacin y tipo de dispositivo.
Letra Aplicacin
SE Diodo
SR Diodo Rectificador
ST Diodo de avalancha
SV Diodo Varicap
SZ Diodo Zener
La serie del componente es un nmero que est comprendido entre 100 y
9999.
La letra del sufijo cdigo indica la ganancia del componente (Baja, Media,
Alta y no definida).
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Letra Ganancia
A Baja
B Media
C Alta
No definida
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Encapsulados Axiales
DO
35
DO
41
DO
15
DO
201
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Encapsulados de diodos de uso con discipdores de calor
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Encapsulados de diodos de potencia
B 44
DO 5
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Encapsulados para mas de un diodo
2 diodos en ctodo comn 2 diodos en serie
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Encapsulados de diodos con varias conexiones
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Encapsulados de diodos
Nombre del dispositivo
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Encapsulados de diodos
Agrupaciones de 2 diodos. Diversos encapsulados para el mismo dispositivo
Nombre del
dispositivoEncapsulados
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Encapsulados de diodos
Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos)
Dual in line
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Encapsulados de diodos
Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos)
+ -+ -
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Encapsulados de diodos
Puentes de diodos. Toda la gama de Fagor