tipos de diodos

F Í S I C A D E S E M I C O N D U C T O R E S P Á G I N A | 1

INGENIERÍA ELECTRÓNICA TERCER SEMESTRE

FÍSICA DE SEMICONDUCTORES

El primer transistor (cortesía de los laboratorios B ell Telephone)



1. DIODO SEMICONDUCTOTOR

INTRODUCCIÓN

El 23 de diciembre del 1947, hace más de 50 años, se desarrolló el primer transistor. Para

aquellos de nosotros que vivimos la evolución del tubo de vacío hacia la era del estado sólido

pareciera tan solo unos cuantos años. En este momento ya n o es válido siquiera mencionar los

tubos de vacío ni mostrar las ventajas de uno sobre el otro, ya que estamos situados

firmemente en la era del estado sólido.

La miniaturización de los componentes que se ha originado are cuestionamientos de hasta

dónde llegan sus límites. Ahora es posible encontrar sistemas completos sobre obleas de silicio

que son miles de veces más pequeñas comparadas con un solo elemento de los primeros

sistemas. Los circuitos integrados de hoy, cuentan con más de 10 millones de transistores en

un área no mayor a una uña de un pulgar.cda semana surgen diseños y sistemas nuevos.

Para el ingeniero esto implica una limitación en cuanto a su conocimiento sobre la amplia

gama de avances tecnológicos; simplemente poderse mantenerse actualizado sobre los

cambios en un área de investigación o desarrollo ya que es por si complicado. Además hemos

llegado a un punto en el que el objetivo primario de del encapsulado de un componente es el

de servir solo como el de un medio para manipular el dispositivo y sistema o proveer un

mecanismo que permite acoplarlo de un componente es el de servir solo como un medio para

manipular el dispositivo o sistema o red.

Un diodo ideal es un dispositivo de dos terminales que se presenta por el símbolo y posees las

características que se muestra en la figura 1.1 a y 1.1b respectivamente.



Figura 1.1 diodo ideal (a) símbolo (b) características

De forma ideal un diodo conducirá corriente en la dirección definida por la flecha que se

muestra en el símbolo y actuara como un circuito abierto ante cualquier intento por establecer

corriente en dirección opuesta. En esencia:

Las características de un diodo ideal son las misma que las de un interruptor que solo permite

la conducción de corriente en una sola dirección.

.Si la polarización de voltaje aplicado es consistente en las características de la figura 1.1a

debería considerarse las particularidades de la parte derecha del eje vertical en el plano de la

figura 1.1b si el voltaje aplicado se invierte las características pertinentes serán de la parte las

de la parte izquierda.

Si se aplica un voltaje inverso, las características a la izquierda son pertinentes. En el caso de

que la corriente a través del diodo tenga la dirección que se indica en la figura 1.1a, la parte de

las características que se considerará se encuentra por encima del eje horizontal, en tanto que

invertir la dirección requeriría el empleo de las características por debajo del eje.



Uno de los parámetros importantes para el diodo es la resistencia en el punto o región de

operación. Si consideramos la región definida por la dirección de ID Y la polaridad de VD en

la figura 1.1a (cuadrante superior derecho de la figura l.lb), encontraremos que el valor de la

resistencia directa Rp de acuerdo a como se define con la ley de Ohm es

𝑅𝐹 =𝑉𝐹

𝐼𝐹

=0 𝑉

2,3, 𝑚𝐴, … … … . , 𝑜 𝑐𝑢𝑙𝑞𝑢𝑖𝑒𝑟 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑜 = ∞ Ω (𝑐𝑖𝑟𝑡. 𝑎𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡𝑜)

Donde VF es el voltaje de polarización directo a través del diodo e IF es la corriente en sentido

directo a través del diodo. El diodo ideal, por consiguiente, es un corto circuito para la región

de conducción, Si consideramos la región del potencial aplicado negativamente (tercer

cuadrante) de la figura 1.1b,

𝑅𝑅 =𝑉𝑅

𝐼𝑅=

−5,−20 ,𝑜𝑐𝑢𝑎𝑙𝑞𝑢𝑖𝑒𝑟 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑙𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑖𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑧𝑎

0 𝑚𝐴 = Ω (𝑐𝑟𝑡𝑜 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑖𝑡𝑜)

donde VR es el voltaje de polarización inverso a través del diodo e IR es la corriente inversa en

el diodo.

El diodo ideal, en consecuencia, es un circuito abierto en la región en la que no hay

Conducción. En síntesis, se aplican las condiciones que.se describen en la figura 1.2.



Figura 1.2 estados (a) de conducción y (b) de no conducción del diodo ideal, determinados por la

polarización aplicada.

En general, es relativamente sencillo determinar si un diodo se encuentra en la región de

conducción o en la de no conducción observando tan solo la dirección de la corriente ID

establecida por el voltaje aplicado. Para el flujo convencional (opuesto al de los electrones), si

la corriente resultante en el diodo tiene la misma dirección que la de la flecha del símbolo de

dicho elemento, éste opera en la región de conducción. Esto se representa en la figura l.3a. Si

la corriente resultante tiene la dirección opuesta, como se muestra en la figura 1.3.b, el circuito

abierto equivalente es el apropiado.

Figura 1.3 (a) estado de conducción y (b) de no conducción del diodo ideal determinados por la

dirección de corriente de la red aplicada.

Efectos de la temperatura

La temperatura puede tener un marcado efecto sobre las características de un diodo

serniconductor de silicio, como lo demuestra un típico diodo de silicio en la figura 1.24. Se ha

encontrado experimentalmente que:

La corriente de saturación inversa Js aumentará cerca del doble en magnitud por

Cada 100°C de incremento en la temperatura.



Figura 1.4 variación de las características del diodo son el cambio de temperatura.

No es raro para un diodo de germanio con una Is del orden de 1 02 I. lA a 25°C, tener una

corriente de fuga de 100 ¡.LA= 0.1 mA a una temperatura de 100°C. Niveles de corriente de

esta magnitud en la región de polarización inversa podrían ciertamente cuestionar nuestra

deseada condición de circuito abierto en la región de polarización inversa. Los valores típicos

de Is para el silicio son mucho menores que el correspondiente al germanio para potencia y

niveles de corriente similares, como se muestra en la figura 1.23. El resultado es que, aun a

altas temperaturas, los niveles de Is para diodo s de silicio no alcanzan los mismos altos

niveles obtenidos para el germanio, una muy importante razón por la que los dispositivos de

silicio gozan de un nivel significativamente mayor de desarrollo y empleo en diseños.

Fundamentalmente, el equivalente de circuito abierto en la región de polarización inversa se

logra mejor a cualquier temperatura con silicio que con germanio.

Los niveles incrementados de Is con la temperatura dan razón de los muy bajos niveles del

voltaje de umbral, como se muestra en la figura 1.24. Simplemente incremente el nivel de Is



en la ecuación (1.4) y note el precoz ascenso en la corriente del diodo. Por supuesto el nivel de

TK también se incrementará en la misma ecuación, pero el nivel incrementado de

Isprodominará sobre el pequeño cambio porcentual en TK. A medida que la temperatura

aumenta, las características directas efectivamente se aproximan más a lo "ideal"; pero cuando

revisemos las hojas de especificaciones encontraremos que más allá del intervalo normal de

operación la temperatura puede tener un efecto muy perjudicial en los niveles máximos de

potencia y corriente del diodo. En la región de polarización inversa, el voltaje de ruptura se

incrementa con la temperatura, pero advierta el indeseable incremento en la corriente de

saturación inversa.

Tabla 1.1 niveles de resistencia



1.1 DIODO

El diodo semiconductor se forma al unir materiales del tipo;

(a) (b)

Figura 1.1.1 (a) material tipo n, (b) material tipo p Construidos a base de Ge o Si, como se muestra en

la figura 1.1.2

Figura 1.1.2 unión p-n sin polarización externa



En el momento en que dos materiales se “unen”, los electrones y los huecos en la región de la

unión se combinaran dando como resultado una carencia de portadores en la región cercana a

la unión.

Esta región de iones negativos y positivos descubiertos recibe el nombre de región de

agotamiento por la ausencia de portadores en la misma.

Puesto que el diodo es un dispositivo de dos terminales, la aplicación de un voltaje a través de

sus terminales implica una de tres posibilidades: no hay polarización (VD = 0 V), polarización

directa (VD> 0 V) Y polarización inversa (VD < 0 V). Cada una es la condición que se

obtendrá en una respuesta que el usuario deberá comprender claramente si desea que el

dispositivo sea aplicado con efectividad..

Sin polarización aplicada (𝑽𝑫 = 𝟎 𝑽)

En condiciones sin polarización, los portadores minoritarios (huecos) en el material tipo n que

se encuentran dentro de la región de agotamiento pasaran directamente al material tipo p.

cuanto más cerca de la unió se encuentre los portadores minoritarios, mayor cera la atracción

de la capa de iones negativos y menor la posición de los iones positivos en la región de

agotamiento del material tipo n. para propósitos de análisis futuros, supondremos que todos los

portadores minoritarios al material tipo n que se en cuentan en la región de agotamiento

debido a su movimiento aleatorio pasaran directamente hacia el material tipo p. un análisis

similar puede aplicarse a los portadores que se han indicado en la figura anterior para los

portadores minoritarios en cada material.

Los portadores mayoritarios (electrones) en el material tipo n deben superar las fuerzas de

atracción de la capa de iones positivos en el material tipo n, así como la capa de iones

negativos en el material tipo p, para emigrar hacia el área más allá de la región de agotamiento

del material tipo p. sin embargo, el número de portadores mayoritarios es tan grande en el

material tipo n que invariablemente habrá un pequeño número de portadores de mayoritarios

con suficiente energía cinética para pasar a la región de agotamiento y llegar al material p.



Características corriente – voltaje

Un voltaje aplicado a una región p-n causara disturbios al preciso balance entre la corriente de

difusión y la corriente de arrastre de electrones y huecos. Bajo polarización directa, el voltaje

aplicado reduce el potencial electroestático de la región de agotamiento. La corriente de

arrastres es reducida en comparación de la corriente de difusión. Tenemos un enriquecimiento

de huecos por difusión que van del lado p al lado n y electrones por difusión desde el lado n al

lado p. por lo que, ocurre una inyección de portadores minoritarios, esto es los electrones son

inyectados en lado p, mientras los huecos son inyectados en el lado n.

En equilibrio térmico, la densidad de portadores minoritarios en la región neutral es

esencialmente igual a la concentración de impurezas. Usaremos los subíndices n y p para

denotar el tipo de semiconductor y el subíndice o para especificar la condición de equilibrio

térmico. Por lo tanto, 𝑛𝑛𝑜 y 𝑛𝑝𝑜 son las densidades de electrones en equilibrio térmico en el

lado n y en el lado p respectivamente. La expresión para el potencial de contacto es la

siguiente ecuación;

𝑉𝑏𝑖 =𝑘𝑇

𝑞ln

𝑝𝑝𝑜 𝑛𝑛𝑜

𝑛𝑖 2=

𝑘𝑇

𝑞ln

𝑛𝑛𝑜

𝑝𝑝𝑜

(1.1)

Donde ha sido usada la ley de la masa activa 𝑝𝑝𝑜𝑛𝑛𝑜 = 𝑛𝑖 2

Cuando un potencial electroestático directo es aplicado se reduce la diferencia 𝑉𝑏𝑖−𝑉𝐼 ; pero

cuando se aplica un potencial electroestático inverso se incrementa el término 𝑉𝑏𝑖−𝑉𝑅 . Las

figuras 1.1.3 (a) y (b) muestra concentración de portadores de carga en una unión p-n bajo

condiciones de polarización directa e inversa respectivamente. Note que las densidades de de

portadores minoritarios en las fronteras (−𝑥𝑝𝑦 𝑥𝑛) se incrementan sustancialmente por arriba

de sus valores de equilibrio bajo polarización directa, mientras que decrece por debajo de ls

valores de equilibrio bajo polarización inversa.



(a) Polarización directa (b) polarización inversa

Figura 1.1.3 región de agotamiento

Bajo polarización inversa, el voltaje aplicado incrementa el potencial electroestático a través

de la región de agotamiento como se muestra en la parte de la figura 1.1.3. esto reduce

gradualmente la corriente de difusión, resultando una corriente pequeña por la ecuación de

continuidad y su solución y las soluciones de frontera obtenemos para la región neutral n,

𝐽𝑃(𝑥𝑃) y para una región neutral p, 𝐽𝑃 (−𝑥𝑛)



Figura 1.1.4 distribuciones de portadores minoritarios inyectados y corrientes de electrones y huecos

(a) polarización directa. (b) polarización inversa. La figura ilustra corrientes ideales para dispositivos

prácticos, las corrientes no son constantes a través del espacio cargado.

Las gráficas de la figura 1.1.4 ilustran que los portadores minoritarios inyectados se

recombinan con los portadores mayoritarios mientras que los portadores minoritarios se

mueven más allá de las fronteras. Las corrientes de electrones y huecos son mostradas en la

parte baja de la figura 2. La corriente de difusión de huecos decaerá exponencialmente en la

región n con longitud de difusión 𝐿𝑛.

La corriente total es constante a través del dispositivo y es la suma de 𝐽𝑝(𝑥𝑛) y 𝐽𝑛(−𝑥𝑝):

𝐽 = 𝐽𝑝(𝑥𝑛) + 𝐽𝑛 (−𝑥𝑝) = 𝐽𝑠 (𝑒𝑞𝑣

𝑘𝑇⁄ − 1)



𝐽𝑠 ≡𝑞𝐷𝑃𝑃𝑛𝑜

𝐿 𝑝

+𝑞𝐷𝑛𝑛𝑝𝑜

𝐿 𝑛

Donde es la densidad de corriente de saturación

Las características de corriente voltaje ideal son mostradas en las figuras 3a y 3b en el plano

cartesiano y el plano de la escala de semilogarítmica. En la dirección directa con polarización

positiva en el plano p, para 𝑉 ≥ 3𝑘𝑇/𝑞 la velocidad de crecimiento es constante como se

muestra en la figura 3b. A 300°K el cambio de corriente por década y el cambio de voltaje

ideal es son 60 𝑚𝑉 (= 2.3 𝑘𝑇/𝑞). En la dirección inversa la densidad de corriente de

saturación inversa).

Figura 1.1.5 Características corriente voltaje de un diodo semiconductor



REGIÓN ZENER

Existe un punto en donde aplicar un exceso mayor de voltaje se ocasiona un cambio drástico

en las características, como se muestra en la figura 1

En este punto la corriente, se incrementa a un ritmo muy rápido con una dirección opuesta a la

que tienen la región de voltaje positivo. El potencial de polarización inversa que provoca este

cambio dramático de las características del diodo se denomina potencial zener y se la asigna

el símbolo 𝑉𝑧.

Figuran 1.1.6 regiones zener

A medida que el voltaje a través del diodo se incrementa sabré la región de polarización

inversa, también se incrementa la velocidad de los portadores minoritarios que son los

responsables de la corriente de saturación inversa 𝐼𝑠 . En algunas ocasiones su velocidad y su

energía cinética asociada (𝑊𝐾 =1

2𝑚𝑣2) serán lo suficiente grandes como para liberar

portadores adicionales mediante colisiones con estructuras atómicas de otro modo estables.

Esto es resultara un proceso de ionización por medio de que los electrones d valencia absorben

energía suficiente para dejar al átomo padre. Estos portadores adicionales pueden ayudar así al

proceso de ionización, hasta el punto de en qué se establezca una elevada corriente de

avalancha y se determine la región de rompimiento de avalancha.

La región avalancha (𝑉𝑧) puede trasladarse muy cerca del eje vertical incrementado los niveles

de dopado en los materiales tipo p y tipo n. sin embargo, así como 𝑉𝑧 decrece a niveles muy



bajos, tanto como -5V, otro mecanismo, llamado rompimiento zener, contribuirá el agudo

cambio en la característica. Esto ocurre debido a que existe un intenso campo eléctrico en la

región de la unión que puede romper las fuerzas de enlace dentro del átomo y "generar"

portadores. Aunque el mecanismo de rompimiento Zener sólo es un contribuyente

significativo a niveles menores de Vz' este agudo cambio en la característica a cualquier nivel

se conoce como región Zener, y aquellos diodos que emplean esta única parte de la

característica de una unión p-n se denominan diodos Zener. Estos se describen con detalle en

la sección 1.2. La región Zener del diodo semiconductor descrito debe evitarse si la respuesta

de un sistema no va a ser alterada completamente por el brusco cambio en las características

de esta región de voltaje de polarización inversa. El máximo potencial de polarización inversa

que puede aplicarse antes de entrar en la región Zener se denomina voltaje pico inverso (o

simplemente VPI nominal). Si una aplicación requiere de un VPI nominal mayor que el de una

sola unidad, varios diodos de las mismas características pueden conectarse en serie. Los

diodos s también se conectan en paralelo para aumentar la capacidad conductora de corriente.

1.2 DIODO ZENER

La región Zener de la figura 1.1.6 se trató con algún detalle en anteriormente. Las

características descienden de manera casi vertical al potencial de polarización inversa

denominado Vz. El hecho de que la curva decaiga tan bajo y lejos del eje horizontal en lugar

de hacerlo en dirección opuesta hacia la región positiva de VD' revela que la corriente en la

región Zener tiene una dirección opuesta a la de un diodo polarizado directamente.

Figura 1.2.1 revisiones de la región zener.



Esta región de características únicas se emplea en el diseño de diodos Zener los cuales se

representan con el símbolo gráfico que aparece en la figura 1.2.1 Tanto el diodo

semiconductor como el diodo Zener se presentan uno al lado del otro en la figura 1.2 para

asegurar que la dirección de conducción de cada uno se comprende con claridad junto con la

polaridad requerida del voltaje aplicado. Para el diodo semiconductor, el estado "activo" o de

"encendido" mantendrá una corriente en la dirección de la flecha del símbolo. Para el diodo

Zener, la dirección de conducción es opuesta a la de la flecha en el símbolo. Nótese también

que la polaridad de VD Y Vz es la misma que se obtendría si cada uno fuera un elemento

resistivo.

Figura 1.2.2 direcciones de conducción (a) diodo zener; (b) diodo semiconductor.

La ubicación de la región Zener puede controlarse variando los niveles de dopado. Un

incremento en el dopado que produce un aumento en el número de impurezas agregadas,

disminuirá el potencial Zener. Los diodos Zener se obtienen con potenciales Zener de 1.8 a

200 V Y valores nominales de potencia de 1/4 a 50 W. Debido a su más alta temperatura y a

su capacidad de corriente, suele preferirse el silicio en la fabricación de los diodos Zener.

El circuito equivalente completo del diodo Zener en la región del mismo nombre incluye una

pequeña resistencia dinámica y una batería de cd igual al potencial Zener, como se ilustra en la

figura 1.2.2a Sin embargo, en todas las aplicaciones que siguen deberemos suponer, como una

primera aproximación, que los resistores externos tienen una magnitud mucho mayor que la

del resistor equivalente Zener y que el circuito equivalente es simplemente el que se indica en

la figura 1.2.2b



Figura 1.2.3 circuito equivalente zener. (a) Completo; (b) aproximado.

En la figura 1.2.4 se presenta un dibujo ampliado de la región Zener para permitir la

descripción de los datos del fabricante del diodo Zener de la tabla 1.4 correspondientes al

diodo IN961, Fairchild, de 500-mW, 20%.

Figura.1.2.4 características del diodo zener bajo prueba (Fairchild IN961).



El término "nominal" asociado con Vz indica que se trata de un valor promedio típico. Puesto

que éste es un diodo al 20%, es posible esperar que el potencial Zener varíe entre 10 V ± 20%

o de 8 a 12 V en su gama de aplicación. Se dispone también de diodos al 10 y 5% con las

mismas especificaciones. La corriente de prueba 𝐼𝑍𝑇 es la corriente definida por el nivel de 1/4

de potencia y 𝑍𝑍𝑇 es la impedancia dinámica para este nivel de corriente. La máxima

impedancia en la rodilla Zener se presenta en la corriente de rodilla Zener 𝐼𝑍𝐾 La corriente de

saturación inversa se proporciona a un nivel de potencial particular e 𝐼𝑍𝑀es la corriente

máxima para la unidad de 20%.

El coeficiente de temperatura refleja el cambio porcentual en 𝑉𝑍 con la temperatura.

Se define mediante la ecuación

𝑇𝐶 =∆𝑉𝑍

𝑉𝑍 (𝑇1−𝑇0) 𝑋 100% (3.1)

donde; 1Vz es el cambio resultante en el potencial Zener debido a la variación de temperatura.

Nótese en la figura 1.51a que el coeficiente de temperatura puede ser positivo, negativo o

incluso cero para diferentes niveles Zener.



coeficiente de temperatusa versus corriente impedancia dinámica versus corriente zener

(a) (b)

Figura 1.2.5 Características eléctricas de un diodo zener Fairchild de 500 mW (cortesía de

Fairchild camera and instrument corporation)



1.3.-DIODO TÚNEL

En junio de 1958 Leo Esaki físico japonés de la firma Sony hace el reporte sobre el invento de

un nuevo dispositivo semiconductor. En ese momento se observa un comportamiento atípico.

Al aumentar el valor de la tensión se encuentra que en cierta región la corriente disminuye en

vez de aumentar. Es como si tuviera una resistencia negativa.

Ya en 1973 trabajo para IBM, Esaki gana el premio Nobel de la física por sus trabajos en el

estudio del tunelamiento en la mecánica cuántica.

Fabricación y características

El diodo túnel se fabrica dopando el material semiconductor que formará la unión p-n en un

nivel de cien a miles de veces mayor que un diodo semiconductor típico. Esto producirá una

región de agotamiento bastante reducida del orden de magnitud de 1 𝑥10−6cm o por lo común

alrededor de 1

100 del ancho de esta región para un diodo semiconductor común. Es en esta

delgada región de agotamiento donde muchos portadores pueden "pasar a través de un túnel",

en vez de intentar superarla a potenciales de polarización directa bajos que explican el pico en

la curva de la figura 1.3.1. Con fines comparativos, la característica de un diodo

semiconductor típico se ha superpuesto a la característica del diodo túnel de la figura 1.3.1

Figura 1.3.1 Características del diodo túnel



Esta reducida región de agotamiento produce portadores que "atraviesan perforando" a

velocidades que superan en mucho a las que se producen en los diodos convencionales. El

diodo túnel puede, por lo tanto, utilizarse en aplicaciones de alta velocidad como en las

computadoras, donde se requieren tiempos de conmutación del orden de nanosegundos o

picosegundos.

Los materiales semiconductores que se emplean con mayor frecuencia en la manufactura de

diodos túnel son el germanio y el arseniuro de galio. El cociente 𝐼𝑝/Iv es muy importante en las

aplicaciones de computadora. Para el germanio es por lo general de 10:1, en tanto que para el

arseniuro de galio se acerca a 20:1.

La corriente máxima, 𝐼𝑝 del diodo túnel puede variar de unos cuantos microamperes a varios

cientos de amperes. Sin embargo, el voltaje máximo está limitado a aproximadamente 600

mV. Por esta raz6n, un simple VOM con un potencial de batería de cd interna de 1.5 V puede

dañar seriamente un diodo túnel si se emplea en forma inadecuada.

Circuito equivalente y especificaciones

El circuito equivalente del diodo túnel en la región de resistencia negativa se presenta en la

figura 1.3.2, con los símbolos que se emplean con mayor frecuencia para dichos dispositivos.

Los valores para cada parámetro corresponden al diodo túnel lN2939 GE, cuyas

especificaciones aparecen en la tabla 1.1. El inductor Ls se debe principalmente a las

terminales. El resistor Rs es producto de las terminales del contacto óhmico en la unión del

semiconductor y de los propios materiales semiconductores. La capacitancia e es la

capacitancia de difusión de la unión y la R es la resistencia negativa de la región. La

resistencia negativa encuentra aplicaciones en los osciladores.



Adviértase la longitud de las terminales de 1

8 plg incluida en las especificaciones. Un aumento

en esta longitud causará un incremento en Ls. En realidad, ya se señaló que para este

dispositivo Ls variará de 1 a 12 nH, dependiendo de la longitud de las terminales. A

frecuencias altas (XLs = 21𝜋 fLs) este factor puede ocasionar pérdidas.

Figura 1.3.2 Diodo túnel. a) Circuito equivalente b) símbolos

Tabla 1.3.1 Especificaciones



El hecho de que 𝑉𝑓𝑝 = 500 mV (típicos) e 𝐼𝑠𝑒𝑛𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡𝑜 (máx) = 5 mA indica que los diodos

túnel son dispositivos de baja potencia [PD = (0.5)(5 mA) = 2.5 mW] que es también

excelente para aplicaciones de computadora. En la figura 1.3.3 aparece una representación del

dispositivo.

Figura 1.3.3 Diodo túnel In2937 Ge. (Cortesía General Electric Corporation.)

Aunque el empleo de los diodos túnel en los sistemas actuales de alta frecuencia se ha

interrumpido en forma drástica por las técnicas de manufactura que proponen alternativas para

dicho diodo, su simplicidad, linealidad, bajo consumo de potencia y confiabilidad aseguran su

continua aparición en las aplicaciones. En la figura 1.3.4 aparece la construcción básica de

diodo túnel de diseño avanzado.

Figura 1.3.4 Construcción de un diodo túnel (Cortesía de COM-SAT Technical Review, P. F.

Varadi y T. D. Kirkendall.)



Gráfica voltaje contra corriente y recta de carga

En la figura 1.3.5 el voltaje de fuente seleccionado así como la resistencia de carga define una

recta de carga que intersecta las características del diodo túnel en tres puntos.

Téngase presente que la recta de carga se determina únicamente por la red, y las características

por el dispositivo. Las intersecciones en a y b se conocen como puntos de operación estables,

debidas a la característica de resistencia positiva. Es decir, a cualquiera de estos puntos de

operación, un ligero disturbio en la red no establecerá oscilaciones en la red o resultará en un

cambio significativo en el sitio del punto Q. Por ejemplo, si el punto de operación definido se

encuentra en b, un ligero incremento en el voltaje de la fuente E trasladará el punto de

operación arriba de la curva puesto que se incrementa el voltaje a través del diodo. Una vez

que el disturbio ha pasado, el voltaje a través del diodo y la corriente de diodo asociada

retornará a los niveles definidos por el punto Q en b.

El punto de operación definido por E es inestable debido a que un ligero cambio en el voltaje o

la corriente a través del diodo darán como resultado que el punto Q se mueva ya sea hacia a o

hacia b. Por ejemplo, el más ligero cambio en E ocasionará que el voltaje a través del diodo

Figura 1.3.5 Diodo túnel y la recta de carga resultante



túnel se incremente sobre su nivel en c. Sin embargo, en esta región, un aumento en VT dará

como resultado una disminución en IT y un incremento adicional en VT. Este nivel

incrementado en VT resultará en una disminución continuada en IT ' y así sucesivamente. El

resultado es un aumento en VT y un cambio en IT hasta que se ha establecido el punto de

operación estable en b. Una ligera caída en el voltaje de la fuente resultaría en una transición

para estabilidad en el punto a. En otras palabras, el punto e se puede definir como el punto de

operación que utiliza la técnica de la recta de carga, pero una vez que el sistema se energiza

(se le aplique energía) eventualmente se estabilizará en el punto a o b.

Aplicaciones del diodo túnel

En la figura 1.3.6a se aprecia la construcción de un oscilador de resistencia negativa haciendo

uso de un diodo túnel. La elección de los elementos de la red está diseñada para establecer una

recta de carga como la que se ilustra en la figura 1.3.6b. Adviértase que la única intersección

con las características se encuentra en la inestable región de resistencia negativa (no se ha

definido un punto de operación estable). Cuando se conecta la energía, el voltaje terminal de la

fuente se incrementará desde OV hasta un valor final de E volts.

En forma inicial, la corriente IT se incrementará de O mA hasta Ip, dando por resultado un

almacenamiento de energía en el elemento inductor en la forma de un campo magnético. Sin

embargo, una vez que Ip se ha alcanzado, las características del diodo sugieren que la corriente

IT debería decrecer ahora con el incremento en el voltaje a través del diodo. Esta es una

contradicción por el hecho de que si ambos elementos de la ecuación anterior decrecen, sería

imposible para el voltaje de la fuente alcanzar su valor establecido. Por lo tanto, para que la

corriente IT continúe ascendiendo, el punto de operación debe desplazarse del punto 1 al 2. Sin

embargo, en el punto 2 el voltaje Vr ha saltado a un valor mayor que el del voltaje aplicado (el

punto 2 se halla a la derecha del cualquier punto sobre la recta de carga de la red).



𝐸 = 𝐼𝑇𝑅 + 𝐼𝑇(−𝑅𝑇)

𝐸 = 𝐼𝑇 (𝑅 − 𝑅𝑇)

Para satisfacer la ley Kirchhoff del voltaje, la polaridad del voltaje transitorio a través de la

bobina debe invertirse y la corriente comenzar a decrecer, como se ilustra en la curva del

punto 2 al 3 sobre las características. Cuando Vr decae a Vv' las características sugieren que la

corriente IT comenzará a incrementarse de nuevo. Esto es inaceptable puesto que VT es aún

mayor que el voltaje aplicado y la bobina se encuentra descargando a través del circuito en

serie. El punto de operación debe desplazarse hacia el punto 4 para permitir una continuación

del decremento en Ir. Sin embargo, una vez en el punto 4 los niveles de potencial son de tal

magnitud que la corriente túnel puede incrementarse de nueva cuenta de O mA a Ip, como se

Figura 1.3.6 Oscilador de resistencia negativa



muestra sobre las características. El proceso se repetirá por sí mismo una y otra vez, sin

establecerse nunca en el punto de operación definido para la región de inestabilidad. El voltaje

resultante a través del diodo túnel aparece en la figura 1.3.6c y continuará en tanto la fuente de

cd se encuentre activada. El resultado es una salida oscilatoria establecida por una fuente fija y

un dispositivo con una característica de resistencia negativa. La forma de onda de la figura

1.3.6c tiene una extensa aplicación en circuitería de temporización y de lógica de

computadoras.

Un diodo túnel también puede utilizarse para generar un voltaje sinusoidal simplemente por

medio del uso de una fuente de cd y algunos elementos pasivos. En la figura 1.3.7 a al cerrar el

interruptor se provoca un voltaje sinusoidal que decrecerá en amplitud con el tiempo.

Dependiendo de los elementos empleados, el periodo de tiempo puede ser casi instantáneo o

con una magnitud de minutos al utilizar valores de parámetros típicos. Esta amortiguación de

la salida oscilatoria con el tiempo se debe a las características disipativas de los elementos

resistivos. Al colocar un diodo túnel en serie con un circuito tanque, como se ilustra en la

figura 1.3.7, la resistencia negativa del diodo túnel compensará las características resistivas del

circuito tanque, resultando en la respuesta no amortiguada que aparece en la misma figura.

Figura 1.3.7 Oscilador senoidal.



El diseño debe continuar para dar por resultado una recta de carga que intersectará las

características solamente en la región de resistencia negativa. En otro enfoque, el generador

sinusoidal de la figura 1.3.7 es simplemente una extensión del oscilador de pulso de la figura

1.3.6, con la adición del capacitor para permitir un intercambio de energía entre el elemento

inductor y el capacitor durante las diversas fases del ciclo representado en la figura 1.3.6b.

1.4.-DIODO VARACTOR

El diodo varactor o varicap tiene la función de sustituir el tradicional condensador variable

montado en la mayoría de los receptores de radio. Mientras que en la práctica, en el

condensador variable, el mando de sintonía es el eje del condensador, el elemento de control

del diodo varicap es el eje de un potenciómetro.

Descripción

Entre el diodo varicap y el semiconductor normal existe una gran semejanza. Su estructura

interna tampoco varía mucho, porque cualquier diodo normal se comporta, con mas o menos

eficiencia que un diodo varicap. No obstante, para obtener variaciones de capacidad

utilizables, es necesario usar los verdaderos varicaps, diseñados y fabricados específicamente

para esta función.

Características y comportamiento

El comportamiento de los diodos varicap depende de la formación, en la zona de unión, de dos

capas de cargas eléctricas que se pueden asimilar a las placas de un condensador. Estas capas

están separadas por una zona que en la figura 1.4.1, está indicada con la letra d de “depletion

layer”, o sea, capa de empobrecimiento o de agotamiento. Por lo tanto, la zona d está

desprovista de cargas eléctricas, por lo que se comporta como aislante, de forma totalmente

análoga al dieléctrico de un condensador.



En la figura 1.4.1a, el varicap es alimentado con una tensión de 1.5 V, mientras que la tensión

aplicada en el varicap de la figura 1.4.1b es alimentado con 25 V. En ambos esquemas, los

diodos están polarizados en sentido inverso es decir con el positivo aplicado a sus cátodos y el

negativo aplicados a sus ánodos. En consecuencia, por los diodos no puede circular corriente.

Esta polarización es la que produce la zona aislante entre los dos electrodos del varicap.

En la figura 1.4.1, puede apreciarse otro fenómeno importante: la variación de la capacidad en

función de la magnitud de la tensión inversa aplicada a sus terminales. En efecto, con la

tensión inversa de 1,5 V, la zona d es estrecha, pero la tensión más elevada de 25 V, la zona d

es mucho más amplia. Esto significa que la capacidad del varicap es mayor con tensiones

inversas bajas que con tensiones altas. Este fenómeno es parecido al que se produce en un

condensador variable, cuya capacidad es mayor cuando las láminas móviles están encaradas

completamente con las láminas fijas y es menor en el caso contrario. En conclusión cuando se

hace variar adecuadamente la tensión inversa aplicada a las terminales de un diodo varicap, se

obtienen valores capacitivos distintos, por lo que se comporta como un condensador variable.

Para hacer variar la tensión de corriente continua aplicada al diodo varicap, tiene que

emplearse una resistencia variable, obteniéndose que para la máxima tensión, obtenemos una

capacidad mínima y para la tensión mínima, la capacidad máxima.

Figura 1.4.1.-A) Cuando el diodo varicap esta polarizado en sentido inverso con un voltaje de corriente

continua baja, La zona de separación d entre las placas cargadas es estrecha y la capacidad de del componente

es alta. B) cuando la tensión es elevada, la zona d es ancha y el diodo varicap tiene una capacidad baja.



MODELO CAPACIDAD

MÍNIMA PF

CAPACIDAD

MÁXIMA pF

Vcc INVERSA

MÁXIMA

BA102 15 60 30

BA138 5 15 30

BA182 1 5 25

BB103 5 45 30

BB104 15 70 30

BB105 1 18 25

BB109 5 45 30

MVAM115 25 500 15

MVAM125 25 500 25

1.5.-DIODO PIN

Introducción

El diodo p-i-n presenta una región p y una región n altamente dopadas, y separadas por una

región intrínseca con resistividad más elevada que las regiones p y n. Estos dispositivos son

ampliamente usados en aplicaciones tales como desplazadores de fase y conmutadores de

señales microondas. Los dispositivos diseñados con diodos p-i-n se destacan por bajas

pérdidas de insercción y elevado desempeño en altas frecuencias. A estas frecuencias el diodo

tiene una impedancia muy alta cuando esta inversamente polarizado (circuito abierto) y una

impedancia muy baja cuando esta polarizado en sentido directo (corto circuito). Además, las

tensiones de ruptura están comprendidas en el margen de 100 a 1000 V.

Tabla1.4.1. Características de varios tipos de diodos varicap o varactor.



Estructura del diodo p-i-n

El diodo tiene una alta resistividad en la parte media de la zona p o n. Mientras que existe una

baja resistividad en los límites en las zonas p y n.

La nomenclatura p+ y n+ indica un alto dopaje de materiales p y n respectivamente. Se utilizan

las letras griegas “π” y “v” para los materiales altamente resistivos y ligeramente dopados p y

n respectivamente. El material usado en la región I puede ser tipo “π” o “v”. En la práctica,

generalmente se utiliza silicio como el material semiconductor, el cual no es perfectamente

intrínseco. Utilizando cualquiera de estas dos estructuras no se presentan cambios en el

desempeño del dispositivo.

En la figura 1.5.1 se presentan dos estructuras posibles del diodo p-i-n, la estructura p+, π, n+

y la p+, v, n+. La figura 1.5.1b muestra el perfil de impurezas de un diodo p-i-n con estructura

p+, π, n+, en el cual la región intrínseca de alta resistividad concentra pocos átomos de

impureza tipo n que se ionizan, mientras que la región de agotamiento se extiende a lo largo de

la región intrínseca incluyendo una pequeña cantidad de penetración en ambas regiones p y n.

La región de agotamiento no se extenderá mas allá de los límites de la región I debido al

elevado dopaje de las regiones p+ y n+, siendo la zona de agotamiento esencialmente igual al

ancho de la capa I, “W”. La unión PN que se forma será en la zona p+.

Con esto se puede decir que una característica importante del funcionamiento del diodo p-i-n

radica en la ampliación de la zona de agotamiento que se obtiene mediante la ionización de la

misma.

En la figura 1.5.1d se muestra la estructura p+, π, n+, la cual tiene una región intrínseca con

concentración de impurezas de material tipo p+. El ancho de la zona de agotamiento es muy

semejante al ancho W de la región I, y la unión PN que se encuentra en la zona n+.



Características de diodo p-i-n

Por sus características, el diodo p-i-n puede ser utilizado como conmutador o como modulador

de amplitud en frecuencias de microondas. La principal ventaja del diodo p-i-n frente a un

diodo convencional es la mejora en la respuesta de conmutación de señales microondas.

También se le utiliza para conmutar corrientes muy intensas y/o tensiones muy grandes. La

figura 1.5.2 muestra el diagrama físico y el circuito equivalente del diodo.

Figura 1.5.1. Perfiles de los tipos de diodo p-i-n, (a) capacitancia aproximada de circuito equivalente,

(b) cristal v-n, (c) perfil de impurezas p-v-n, (d) cristal p-π-n, y (e) perfil de impurezas p-π-n.



1.6.- DIODO SCHOTTKY

Es un dispositivo que tiene una caída de voltaje directa (VF) muy pequeña, del orden de .3

Volts o menos. Operan a muy altas velocidades y se utilizan en fuentes de potencia, circuitos

de alta frecuencia y sistemas digitales. Reciben también el nombre de diodos de recuperación

rápida (fast recovery) o de portadores calientes. En la figura 1.6.1 uno se muestra el

encapsulado comercial de un diodo Schottky.

Figura 1.5.2. Esquema (a) físico del diodo p-i-n y (b) circuito equivalente de diodo.

Figura 1.6.1. Encapsulado comercial de un diodo Schottky.



Funcionamiento

Cuando se realiza una ensambladura entre una terminal metálica y un material semiconductor,

el contacto tiene, típicamente, un comportamiento óhmico cualquiera, la resistencia del

contacto gobierna la secuencia de la corriente. Cuando este contacto se hace entre un metal y

una región semiconductora con la densidad del dopante relativamente baja, las hojas

dominantes del efecto debe ser el resistivo, comenzando también a tener un efecto de

rectificación. Un diodo Schottky, se forma colocando una película en contacto directo con un

semiconductor, según lo indicado en la figura 1.6.2. El metal se deposita generalmente en un

material de tipo N, debido a que la movilidad de los portadores de carga de este material es

más grande. La parte metálica será el ánodo y el semiconductor el cátodo.

En una deposición de aluminio Al (3 electrones en la capa de valencia), los electrones del

semiconductor tipo N migran hacía el metal, creando una región de transición en la

ensambladura Se puede observar que solamente los electrones (los portadores mayoritarios de

ambos materiales) están en tránsito. Su conmutación es mucho más rápida que la de los diodos

bipolares, una vez que no existan cargas en la región tipo N, siendo necesaria rehacer la

barrera de potencial (típicamente de 0,3V). La Región N tiene un dopaje relativamente alto, a

fin de reducir la pérdida de conducción, por esto, la tensión máxima soportable para este tipo

de diodo está alrededor de los 100V.

Figura 1.6.2. Construcción y símbolo de un diodo Schottky.



Aplicaciones

- En fuentes de baja tensión en la cuales las caídas en los rectificadores son significativas.

- Circuitos de alta velocidad para computadoras donde se necesiten grandes velocidades de

conmutación y mediante su poca caída de voltaje en directo permite poco gasto de energía.

- Variadores de alta gama para que la corriente que vuelve desde el motor al variador no pase

por el transistor del freno y este no pierda sus facultades.

- El diodo Schottky se emplea en varios circuitos integrados de lógica TTL.

Por ejemplo los tipos ALS y AS permiten que los tiempos de conmutación entre los

transistores sean mucho menores puesto que son más superficiales y de menor tamaño por lo

que se da una mejora en la relación velocidad/potencia. El tipo ALS permite mayor potencia y

menor velocidad que la LS, mientras que las AL presentan el doble de velocidad que las

Schottky TTL con la misma potencia.

Desventajas

Las dos principales desventajas del diodo Schottky son:

- El diodo Schottky tiene poca capacidad de conducción de corriente en directo. Esta

característica no permite que sea utilizado como diodo rectificador. Hay procesos de

rectificación (por ejemplo fuentes de alimentación) en que la cantidad de corriente que tiene

que conducir en sentido directo es bastante grande.

- El diodo Schottky no acepta grandes voltajes que lo polaricen inversamente (VCRR).

El proceso de rectificación antes mencionado también requiere que la tensión inversa que tiene

que soportar el diodo sea grande. En la figura 1.6.3 se muestran dos curvas características de

un diodo Schottky.



Figura 1.6.3. Curvas características de un diodo schottky comercial.

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2. DISPOSITIVOS ÓPTICOS

La presente sección tratara sobre los dispositivos optoelectrónicoas, que son aquellos que

trabajan conjuntamente con seáles electrónicas u ópticas. Más concretamente son capaces de

transformar señales electrónicas en ópticas o viceversa. Como ejemplo tenemos la lámpara

incandesente, más comúnmente conocida como bombilla o lampara fluorescente, ambos

transforman una señal eléctrica o electrónica en luz, es decir, transforman electrones en

fotones. En lado opuesto tenemos, por ejemplo, una célula solar que hace la función contraria,

transforma fotones en electrones.

2.1 FOTODIODO

Interacción de la luz con un semiconductor.

Los dispositivos detectores de luz de tipo semiconductor se basan en la colección en un

circuito eléctrico externo de los portadores de carga generados por los fotones absorbidos

dentro del material.

En términos generales se puede decir que los que los materiales están formados por cargas

eléctricas positivas y negativas (iones y electrones) enlazados entre sí por enlaces elásticos,

por tanto, el campo eléctrico de la luz ejerce una fuerza en estos materiales que tiende a

separar las cargas positivas de las negativas. Este fenómeno, conocido como la polarización

de la materia, da lugar a la formación de dipolos eléctricos, originados por el desplazamiento

en sentido opuesto de las cargas positivas y negativas de los átomos y moléculas cuando se

aplica un campo eléctrico. La susceptibilidad eléctrica, X, de un material cuantifica la

facilidad con la que el sistema de carga se polariza bajo la acción de un campo eléctrico

externo F. para campos pequeños (intensidades de luz bajas) la polarización eléctrica inducida

P (suma de los momentos dipolares por unidad de volumen) el proporcional al campo

eléctrico:



𝑃 = 𝜖0 𝑋𝐹 (2.1)

Donde 𝜖0 es la contante dieléctrica del vacío (𝜖0 = 8,854188𝑥10−12𝐶 2𝑁−1𝑚−2). La

susceptibilidad de un medio durante la velocidad de propagación de la luz a través del

material, ya que aumenta el índice de refracción. La susceptibilidad depende de la frecuencia

de la luz debido a los diferentes mecanismos de polarización que participan en el medio de

propagación. Así, a frecuencias altas las moléculas, con mayor masa que los electrones, apenas

se mueven y la mayor contribución a la polarización procede de los electrones de las capas

atómicas más externas. Además, a determinadas frecuencias que son características del

material que se producen fenómenos de resonancia asociados, bien sea a la vibración de las

moléculas o a la de los electrones. A estas frecuencias la luz es absorbida por el material

requiere conocer la estructura electrónica completa. No obstante, en la región del visible y

ultravioleta la luz interacciona fundamentalmente con los electrones menos ligados de los

átomos (electrones de valencia), es decir, aquellos responsables de la estructura química o dela

conducción de carga eléctrica en los materiales.

Los principales efectos del material sobre la luz se pueden resumir en los siguientes

fenómenos, representados esquemáticamente en la figura 2.1.1, donde hemos supuesto el caso

más general de un material (sustrato) con una capa delgada depositada encima:

Fig. 2.1.1 posibles efectos de una capa delgada sobre un haz de luz incidente sobre ella.



Reflexión y refracción: cambio en la dirección de propagación que ocurre en las intercarás

entre dos medios distintos. En una capa delgada la reflexión se produce en las intercarás aire-

capa y capa-substrato (reflexión interna).

Interferencia y difracción: son dos fenómenos que se deben a la naturaleza ondulatoria de la

luz. La difracción es el cambio de dirección de la luz cuando dos ondas inciden en el mismo

punto.

Absorción: los fotones son absorbidos por el material y su energía se transforma en excitación

de electrones a niveles de energías superiores, vibraciones moleculares, etc.

Esparcimiento: los fotones sufren un cambio en la dirección de propagación por interacción

con los inhomogeneidades o fluctuaciones en la susceptibilidad eléctrica del material.

Emisión: el material emite luz propia cuando se le aporta energía fuera del equilibrio térmico

(luminiscencia) o mediante calor (incandescencia). Cuando la luminiscencia se produce por el

paso de una corriente eléctrica se denomina electroluminiscencia.

Fotoconductividad: la absorción de luz en un semiconductor puede inducir un aumento de los

portadores de carga que aumenta la conductividad.

Una característica de los materiales semiconductores es que cuando interaccionan con fotones

por debajo de una cierta energía (energía del borde absorción, 𝐸𝑔 ), situada en el infrarrojo,

visible o incluso el ultravioleta, no hay ninguna absorción y el material es transparente

(excepto en los infrarrojos donde puede haber absorción asociada a la excitación de las

vibraciones de la red y de los portadores libres). Además algunos semiconductores emiten luz

intensa para energía 𝐸 ≈ 𝐸𝑔 cuando son excitados, lo que les hace muy interesante para

aplicaciones como emisores de luz y láseres.

Y en los semiconductores no dopados la anchura de la banda prohibida, 𝐸𝑔 determina la

máxima longitud de onda detectable (𝜆𝑚𝑎𝑥 = ℎ𝑐/𝐸𝑔 ). Por tanto, para valores mayores de la

longitud de onda (𝜆 > 𝜆𝑚𝑎𝑥) el material se hace trasparente y no hay absorción de fotones ni



generación de pares electrón-hueco. Para longitudes de onda mucho más corta (𝜆 ≪ 𝜆𝑚𝑎𝑥) el

coeficiente de absorción aumenta hasta alcanzar valores muy elevados y los fotones se

absorben muy cerca de la superficie. En el caso de del os detectores de unión p-n, este echo

impiden que los fotones alcancen la región de la unión, disminuyendo con ello la insuficiencia

en la generación de portadores.

Dispositivos detectores de luz

El silicio es un buen material en el espectro ultravioleta, visible e infrarrojo, en el rango de

longitudes de onda desde 300 nm hasta 1,1𝜇𝑚, ya que tiene un gap de 1,12 eV y puede

absorber fotones con energía por encima de este valor. Sin embargo, para longitudes de ondas

menores de 300 nm (4 eV) el silicio se deteriora, por lo que se recurre a otros materiales de

banda prohibida estrecha, como el nitruro de galio (GaN). En la zona infrarroja se utilizan

materiales de bandas prohibidas estrechas, como el arseniuro de indio (InAs), el sulfuro de

plomo (PbS) o el telurio de cadmio y mercurio (HgCdTe). Este último material permite

detectar longitudes de onda de hasta 12 𝜇𝑚.

Actualmente los detectores están formados por varias por varias capas delgadas de

semiconductores con distintas composiciones y dopajes. Además, se añaden otras capas

aislantes, como los reflejantes anti reflejantes para disminuir las perdidas por reflexión, los

filtros multicapa para modular la respuesta espectral, y capas metálicas para formar los

contactos eléctricos con el circuito externo.

Fotodiodo.

Otro tipo de detectores son fotodiodos, que tienen una respuesta más rápida y de mayor

sensibilidad que los fotoconductores. Un fotodiodo véase la figura 2.1.2 es básicamente un

diodo operando en polarización inversa con un voltaje relativamente alto para evitar el paso de

los portadores mayoritarios de un lado a otro de la unión. En un ausencia de luz el efecto

rectificador del diodo impide el paso de corriente de oscuridad es muy pequeña.



Figura 2.1.2. a) Proceso de generación de pares electrón-hueco por absorción de luz en la región de

carga espacial de un diodo fotodetector. b) Medida de la curva característica I-V del diodo en

iluminación. La línea a trozos representa la curva característica en oscuridad. El punto Q corresponde

al caso del diodo funcionando como célula solar.

Cuando un diodo se ilumina con radiación de energía suficiente se crean pares electrón-hueco

a ambos lados de dela unión como consecuencia de la excitación de portadores desde la banda

de valencia a la de conducción. Los portadores generados a uno y otro lado a distancias

grandes de la unión no producen efectos apreciables en las características del diodo. En

cambio, los pares electrón-hueco generados, bien sea dentro de la región de carga especial o

bien a una distancia de la unión menor que la correspondiente longitud de difusión, son

arrastrados hacia el lado opuesto a causa del campo eléctrico presente en la unión. El exceso

de carga creado en las regiones neutras a cada lado de la unión origina una diferencia de

potencial, 𝑉𝑂𝐶 , que tiene la misma polaridad que el diodo, es decir, lado p positivo y lado n

negativo.

Este proceso de separación de los portadores se conoce como efecto fotovoltaico, y los diodos

que emplean este efecto para detectar la presencia de radiación se denominan a su vez

fotodiodos (figura 2.1.2.a)



Un diodo operando con un cierto voltaje aplicado, V, en presencia de radiación

electromagnética capaz de excitar portadores a través de la banda prohibida dejara pasar una

intensidad i dada por:

𝐼 = 𝐼0 [𝑒𝑥𝑝 (𝑞𝑉

𝑘𝑇) − 1] − 𝐼𝐿 (2.2)

Donde el primer término representa la corriente típica de un diodo, es decir, la corriente en

oscuridad y el segundo termino 𝐼𝐿 representa la corriente debida a los portadores generados.

Este término viene precedido del signo negativo porque el movimiento de estos portadores se

verifica en la misma dirección que la de los portadores minoritarios, esto es, con el mismo

sentido que la corriente en inversa del diodo. El valor de 𝐼𝐿 puede calcularse a través de la

ecuación:

𝐼𝐿 = 𝑞𝐺𝑆(𝐿𝑒 + 𝐿ℎ )

Siendo G el número de portadores generados por unidad de volumen y de tiempo y S el área

de la sección transversal del diodo. 𝐿𝑒 Y 𝐿ℎ representan las longitudes de difusión de

electrones y huecos.

En la figura 2.1.2.b se ha representado la curva característica I-V de un fotodiodo bajo

iluminación (línea continua). Obsérvese que esta característica está desplazada en una cantidad

𝐼𝐿, prácticamente constante respecto a la curva en la oscuridad. Los fotodiodos generalmente

operan en el tercer cuadrante, es decir, con polarización negativa y con corriente también

negativa, ya que en esta región la corriente es prácticamente independiente del voltaje y

además proporcional a la velocidad de generación de portadores (siempre que 𝐼𝐿 >> 𝐼0). El

dispositivo funciona entonces como detector del nivel de iluminación convirtiendo una señal

óptica en señal eléctrica.

Con objeto de aumentar la velocidad de respuesta del fotodiodo normalmente se reduce la

anchura de la región de agotamiento ya que de esta manera el tiempo de tránsito de los



portadores, 𝑡𝑟 es más pequeño. Sin embargo, por otra parte interesa también que la anchura

de esta región sea lo mayor posible ya que así la mayor parte de la radiación se absorbe en esta

región. Por tanto, si se requiere a la vez una alta velocidad de respuesta y una buena eficiencia

en la conversación de la luz absorbida es preciso llegar a un compromiso.

En este sentido se recurre muy a menudo a la utilización de diodos p-i-n, en los cuales la

anchura de la región de agotamiento se puede variar con relativa facilidad ya que ésta viene

determinada fundamentalmente por la anchura de la capa intrínseca.(véase figura 2.1.3.a). En

la figura 2.1.3.b se presenta un diagrama esquemático del corte transversal de un fotodiodo

tipo p-i-n. La región intrínseca está situada muy cerca de la superficie con objeto de aumentar

al máximo la absorción de la radiación en esta región. El contacto metálico superior suele

hacerse utilizando bien sea un material conductor trasparente (el óxido de estaño de indio

puede ser adecuado o bien una capa metálico muy fina en forma de dedos dejando la máxima

superficie del diodo expuesta a la radiación. El dispositivo lleva además una capa

antirreflectante para disminuir al máximo las pérdidas por reflexión de la luz en la superficie

del diodo. Estas capas están formadas por una película transparente de un material aislante

(Si𝑂2,𝑆𝑖3𝑁4, etc.) cuyo índice de refracción y espesor son los adecuados para evitar,

mediante un fenómeno de interferencia, la reflexión de la luz.



Figura 2.1.3. a) esquema del proceso de generación de portadores en foto diodo del tipo p-i-n. b)

sección transversal de un fotodiodo p-i-n (obsérvese la disposición del electrodo superior para permitir

el paso de la radiación, y la presencia de una película anti reflejante).

Imagen y composición de un fotodiodo

2.1.4. Diversos tipos de fotodiodo



Los diodos tienen un sentido normal de circulación de corriente, que se llama polarización

directa. En ese sentido el diodo deja pasar la corriente eléctrica y prácticamente no lo permite

en el inverso: es la base del funcionamiento de un diodo. Pero en el fotodiodo la corriente que

está en juego (y que varía con los cambios de la luz) es la que circula en sentido inverso al

permitido por la juntura del diodo. Es decir, para su funcionamiento el fotodiodo es polarizado

de manera inversa. Se producirá un aumento de la circulación de corriente cuando el diodo es

excitado por la luz.

Lo que define las propiedades de sensibilidad al espectro de un fotodiodo es el material

semiconductor que se emplea en la construcción. Los fotodiodos están construidos de silicio,

sensible a la luz visible (longitud de onda de hasta 1,1 µm), de germanio para luz infrarroja

(longitud de onda hasta aproximadamente 1,8 µm), y los hay de otros materiales

semiconductores. El rango de espectro es:

Silicio: 190-1100 nm

Germanio: 800-1700 nm

Indio galio arsénico: 800-2600 nm

Sulfuro de plomo: 1000-3500 nm

Datasheep.

Parte de la hoja, de datos de un fotodiodo PIN se reproduce en la figura 22. A estos datos se

hace referencia a lo largo de esta sección para ilustrar las características de varios fotodiodos.

En la estructura particular de la figura 15, existe una capa I o intrínseca entre los extremos p y

n. Como la región desierta se extiende ligeramente más allá del área dopada, se obtiene una

región desierta más ancha con la estructura PIN. El aumento del ancho de la capa I puede

considerarse como un aumento de la separación de las placas en un condensador; por tanto, la

capacidad de la unión disminuye, ya que la capacidad varía inversamente con la separación.

Así pues, un diodo PIN es mucho más rápido que un diodo convencional p-n. Esta estructura



tiene menor ruido y corriente de oscuridad, además de un rendimiento mayor a longitud de

onda más larga.

2.1.5. Corte de un fotodiodo P-I-N.

Como se muestra en la Figura 21, se obtienen sensibilidades direccionales típicas con lentes y

ventanas planas. Para aplicaciones que requieren una reducción del ángulo de visión, es

preferible el lóbulo direccional estrecho producido por una lente. La adición de una lente no

afecta apreciablemente la respuesta. Sin embargo, las lentes captan luz de un área mayor y la

concentra en el diodo, con un aumento efectivo del área activa.



Sensibilidad direccional relativa

Tabla 2.1.1. Especificaciones de un fotodiodo P-I-N.

Comparando los fotodiodos de unión con fotoconductores de una pieza, se ve que los

fotodiodos poseen considerablemente mejor respuesta en frecuencia, linealidad, respuesta

espectral, y menor ruido. Entre las desventajas del fotodiodo se incluyen: área activa pequeña,

un aumento rápido de la corriente oscura con la temperatura, tensión offset y necesidad de



amplificación para radiaciones de baja potencia.

2.2. DIODO LED

Dispositivos emisores de luz.

Loa dispositivos emisores de luz funcionan al contrario de los detectores de luz que hemos

visto en los apartados anteriores. Es decir, producen un haz de luz cuando pasa corriente a

través de ellos. Estos dispositivos semiconductores se basan en el fenómeno de la

electroluminiscencia.

La electroluminiscencia constituye el fundamento sobre el que se basan los dispositivos

emisores de luz de estado sólido, esto es, los diodos emisores de luz, los láseres de diodo y los

paneles electroluminiscentes. Estas fuentes de luz tienen una eficiencia mucho mayor que las

convencionales, basadas en las incandescencia, y están reemplazándoles en algunos sectores

donde la miniaturización y la finalidad son esenciales, como en las señales de tráfico o los

automóviles.

La forma de electroluminiscencia más sencilla conceptualmente consiste en la inyección de

electrones en la banda de conducción y de huecos en la banda de valencia por efecto del paso

de corriente en el material. La recombinación de electrón-hueco produce fotones con una

energía cercana a la del gap del semiconductor. Este proceso es similar a la de la

electroluminiscencia a un que el fenómeno de excitación de los portadores es diferente. La

inyección, y posterior recombinación, de electrones y huecos puede producirse de forma

conveniente en la unión p-n entre dos semiconductores dopados.

En otra forma de electroluminiscencia, la emisión de luz se produce de forma local en

impurezas luminiscentes que dopan el semiconductor. Cuando se ase circular una corriente

eléctrica a través del semiconductor, el impacto de los electrones contra las impurezas hace

que se exciten los electrones de estas a niveles más elevados, produciendo luz en la

desexcitación. Longitud de onda de la emisión está determinada, por tanto, por la naturaleza de

las impurezas. Este tipo de luminiscencia, a diferente de electroluminiscencia en diodos, no



requiere materiales muy controlados y cristalinos, por lo que pueden utilizarse incluso en

forma de polvo. Debido a ello, se sacan partido de este fenómeno en la fabricación de paneles

electroluminiscentes de gran tamaño.

Los diodos emisores de luz o LED (light emitting diodes) tienen un fundamento en un proceso

inverso al de los fotodiodos. Cuando se aplica una polarización directa a un diodo de unión p-n

el campo eléctrico de la unión disminuye, favoreciendo con ello la difusión de portadores

minoritarios hacia el lado opuesto, es decir, electrones hacia la zona p y huecos hacia la zona n

(figura 2.1.). Se crean entonces, en la región más próxima a la unión o zona activa, una

concentración elevada de electrones y huecos que acaban recombinándose para producir

fotones de luz, con una energía próxima a la de la banda prohibida, es decir ℎ𝑏 = 𝐵𝑔 . La

emisión de luz tiene lugar en un proceso de electroluminiscencia, donde la energía necesaria

proviene del circuito eléctrico externo que, a través de los contactos, suministre electrones y

huecos con la energía potencial necesaria, es decir, electrones a la banda de conducción en el

lado n y huecos en la banda de valencia en el lado p. de esta forma el proceso puede seguir de

manera continua mientras se mantenga el voltaje externo aplicado.

Figura 2.2.1. Procesos de recombinación de portadores minoritarios en una unión p-n polarizada en

directo, con emisión de fotones (diodo LED): a) cuando no existe un voltaje externo aplicado, el campo

eléctrico de la unión impide la difusión de electrones y huecos de un lado al otro d la unión. b) en

polarización directa el campo se reduce, y electrones y huecos fluyen al lado opuesto de la unión.



En general, las transiciones radiactivas están acompañadas de transiciones no reactivas, en las

cuales la energía de los portadores inyectados acaba transformándose en un aumento del

estado de vibración de la red (calor). La estructura de bandas de energía del semiconductor

determina que el gap se ha directo o indirecto. En los semiconductores del gap directo la

transición se verifica sin cambio del momento del electrón. Por el contrario, en los

semiconductores de gap indirecto, la transición tiene lugar a través de un cambio del momento

del electrón mediante la participación de un fonón o vibración de la red cristalina. Aunque

ambas transiciones son radiactivas, la probabilidad de las indirectas es mucho menor que las

directas. Por tanto, otros procesos competitivos no radiactivos son mucho más frecuentes en

los semiconductores de gap indirecto que en los de gap directos.

Entre los semiconductores más conocidos, el silicio y el germanio son de gap indirecto,

mientras que el arseniuro de galio y otros compuestos de los grupos III y V presentan gap

directo. El GaAs tiene una banda prohibida de 1,43 eV y por ello se usa como material

apropiado para LED en la región de infrarrojo (≈ 0,9 𝜇𝑚). Esta región del espectro está

haciendo, muy utilizada actualmente en las comunicaciones ópticas mediante fibra óptica, por

los que los LED GaAs están alcanzando un gran desarrollo.

Existen otros semiconductores compuestos, como el Gap o el A1As, que tienen una banda

prohibida con energía, más elevada, aunque son de gap directo. Sim embargo, partiendo de

estos materiales se pueden construir LED que emiten en el visible siempre que se consigue

eliminar las transiciones no radiactivas. Estos materiales también son utilizados para formar

compuestos ternarios con el 𝐺𝑎𝐴𝑠1−𝑥 𝑃𝑥 con una fracción, x, pequeña. Con ellos es posible

aumentar notablemente la anchura de la banda prohibida de GaAs (hasta el valor de 2 eV

aproximadamente) manteniéndose al mismo tiempo el tipo de transiciones directas hasta

concentraciones de P del 40%. En la figura 2.2.2.a se representan a modo de ejemplo la

intensidad luminosa relativa de un LED típico de GaAsP que emite en el rojo (655 nm). La

anchura del espectro tiene un valor de 25 nm aproximadamente, esto es, mucho mayor que la

de los diodos láser según veremos después. En la figura 2.2.2.b se representan la intensidad de



luz en función de la corriente a través del diodo. La intensidad de la luz aumenta con la

corriente, como es de esperar, debido al aumento de la inyección de portadores a la zona de la

unión.

Figura 2.2.2. a) Espectro de emisión de un LED de GaAsP. b) Variación de la intensidad de la luz en

función de la corriente.

Otra combinación de materiales muy utilizadas es la basada en heterouniones AlGaS/GaAs.

Estos dos materiales tienen un valor de la constante de red muy parecido, por lo que no se

producen tensiones mecánicas al crecer uno sobre el substrato del otro mediante las técnicas de

epitaxia. Como consecuencia de ello, no se produce centro de recombinación no reactiva que

quitaría eficiencia al dispositivo. Por último, mencionamos que para fabricar LED que emitan

en el azul y el ultravioleta es necesario recurrir a los materiales llamados de gap ancho, como

el GaN y sus aleaciones InGaN, el ZnSe, SiC, etc., cuyo gap alcanza hasta los 3 eV.

Los avances recientes en los polímeros semiconductores, orgánicos e inorgánicos, han

permitido la fabricación de diodos de electroluminiscentes de materiales tales como el PPV

(polifenil-vinilo) con una gran eficiencia. La luminiscencia tiene lugar por la recombinación

de electrones y huecos en una película de este material. El grosor de la película es de unos 100

nm y los voltajes aplicados no superan los 10 V. las ventajas de los polímeros conductores,

además de su resistencia y su flexibilidad, son la facilidad con que podrían ser preparados en

grandes superficies luminiscentes, con técnicas parecidas a las usadas en pintura.



Los LED comerciales tienen una estructura de capas obtenidas por deposición en fase vapor, y

el producto final incluye un encapsulado de plástico transparente que sirve de protección, lente

y filtro (figura 2.2.3.izda). La estructura más utilizada en los LED es del tipo p-n+, es decir, el

elemento de la unión menos dopado es el P, el cual debe ser suficientemente fino para que los

fotones producidos se puedan escapar sin ser reabsorbidos, tal y como se representa en la

figura 2.2.3.derecha.

Figura 2.2.3. Configuración típica de un diodo emisor de luz (LED) comercial (izquierda) y detalle de

la estructura de capas mostrando el proceso de recombinación de portadores en la emisión de luz

(derecha).



Figura 2.2.4. a) Esquema de la estructura de bandas de energía de un diodo emisor de luz (LED) de

heterounion doble (DH). b) procesos de recombinación de portadores en la emisión de luz.

Para conseguir LED de alta intensidad es necesaria la utilización de heterouniones, es decir,

uniones entre dos semiconductores de distintos gap. Lo más conveniente es utilizar una doble

heteroestructura (DH), como la representación en la figura 2.2.4.a, sin embargo ningún

voltaje, por lo que en este caso el nivel de fermi 𝐸𝐹 es constante a lo largo de la estructura.

Observemos la barrera de potencial, de altura ∆𝐸𝑐, que aparece entre las bandas de conducción

del GaAs y del AlGaAs, ambos de tipo ligeramente p. En figura 2.2.4.b aparece la estructura

anterior cuando se aplica un voltaje externo en polarización directa para que circule corriente.

De este modo se inyectan electrones desde el material n+-AlGaAs a la región p-GaAs, donde

se recombinan con los huecos, dando lugar a la emisión de fotones. Estos a su vez pueden

salir a la superficie sin sufrir pérdida de intensidad ya que el gap del AlGaAs es bastante

más ancho que el de GaAs, y por tanto, no hay absorción óptica.

En un LED, la emisión de luz ocurre solamente a lo largo de la unión p-n, es decir, en una

franja estrecha del material. Además, el material semiconductor debe ser de gran pureza y



perfección cristalina. Esto hace que la fabricación del LED sea un proceso caro, limitado a

pequeñas superficies. Para aplicaciones que requieren grandes áreas luminosas o un precio

reducido tiene mayor interés-otro tipo de electroluminiscencia, descubierto por Destriau en los

años treinta en polvos de ZnS dopados con cobre cuando eran sometidos a un voltaje. En este

caso la emisión de luz se3 produce en todo el material. Al no necesitar material de alta calidad

se pueden fabricar grandes superficies. En los años cincuenta del siglo pasado hubo un gran

esfuerzo de investigación en estos materiales. Sin embargo, las aplicaciones prácticas se vieron

deslucidas por el rápido deterioro de los primeros dispositivos, por lo que decreció el interés

sobre ellos. Afortunadamente un nuevo esfuerzo en los años setenta ha solventado muchos de

estos problemas y hoy día existen ya dispositivos comerciales.

Básicamente, un material electroluminiscente (llamado fosforo) consiste en un semiconductor

policristalino de banda ancha formado por elementos de las columnas II y VI de la tabla

periódica, dopado con algún ión que actúa como centro luminiscente. El color y otras

propiedades de la emisión están determinados por el dopante. El mecanismo de luz es bastante

es bastante complejo y aún no ha sido explicado del todo. Básicamente, la aplicación de un

voltaje en los extremos del material hace que los electrones inyectados por los electrodos sean

acelerados por el campo eléctrico aplicado hasta ganar una energía cinética elevada. Cuando

estos electrones interaccionan con los iones dopantes, éstos desprende la energía absorbida en

forma de luz en un proceso de desexcitación posterior.

Según el tipo de material, se distingue entre dispositivos electroluminiscentes de polvo y de

película delgada. Los dispositivos de polvo están formados por una capa de polvo muy fino

(con partículas del tamaño de 1 𝜇𝑚) situada entre dos electrodos, uno de ellos transparente. El

conjunto está depositado sobre una lámina de vidrio. El voltaje aplicado en este caso es del

orden de 100 V, y puede ser continuo o alterno, dependiendo del dispositivo. Debido a que en

la fabricación no se requieren técnicas de alto vacío, estos dispositivos están especialmente

indicados para aplicaciones que requieren grandes áreas. Por ejemplo, se usan para la

iluminación trasera de pantallas de cristal líquido en televisores, computadores, y otros

indicadores alfanuméricos, en paneles luminosos con información fija, paredes de iluminación

difusa en arquitectura, anuncios señales de tráfico, etc.



Los dispositivos electroluminiscentes de película delgada o TFEL (thin-film electro-

luminiscente devices) consisten en una estrecha capa con espesores del orden de 1 mm de un

fósforo semiconductor situado entre dos capas aislantes. El resto se asemeja a un dispositiva

de polvo. El voltaje necesario es también del orden de 100 V. los dispositivos más

desarrollados emplean un voltaje alterno y se conocen como ACTFEL (figura 2.2.5). Una

aplicación de estos dispositivos son las pantallas planas (flat panel displays) de color para

monitores de computadores y televisores. Las principales ventajas con respecto a las pantallas

de cristal líquido son: alto brillo, independiente de la iluminación ambiental, alta resolución

con una escasa interferencia entre pixeles, gran ángulo de visión, funcionamiento en un

extenso rango de temperaturas, estabilidad, larga vida y memoria intrínseca. Esta última se

debe a que el voltaje necesario para mantener un pixel encendido es bastante menor que el

necesario para encenderlo. La principal desventaja es que este último es de unos 100 V, que es

mucho menor que los voltajes empelados en las pantallas de cristales líquidos y requiere una

electrónica más cara.

Figura 2.2.5. Panel electroluminiscente de película delgada con voltaje externo (ACTFEL).



Características del diodo

El dispositivo semiconductor está comúnmente en capsulado en una cubierta de plástico de

mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en las lámparas incandescentes.

Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya que ello no influye

en el color de la luz emitida. Usualmente un LED es una fuente de luz compuesta con

diferentes partes, razón por la cual el patrón de intensidad de la luz emitida puede ser bastante

complejo.

Para obtener una buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que atraviesa el

LED; para ello, hay que tener en cuenta que el voltaje de operación va desde 1,8 hasta 3,8

voltios aproximadamente (lo que está relacionado con el material de fabricación y el color de

la luz que emite) y la gama de intensidades que debe circular por él varía según su aplicación.

Valores típicos de corriente directa de polarización de un LED corriente están comprendidos

entre los 10 y los 40 mA. En general, los LEDS suelen tener mejor eficiencia cuanto menor es

la corriente que circula por ellos, con lo cual, en su operación de forma optimizada, se suele

buscar un compromiso entre la intensidad luminosa que producen (mayor cuanto más grande

es la intensidad que circula por ellos) y la eficiencia (mayor cuanto menor es la intensidad que

circula por ellos).

Como dato curioso tenemos que el primer LED que emitía en el espectro visible fue

desarrollado por e ingeniero de General Electric Nick Holonyak en 1962.

Figura 2.2.6. Representación simbólica del diodo

LED.



En corriente continua (CC), todos los diodos emiten una cierta cantidad de radiación cuando

los pares electrón-hueco se recombinan, es decir, cuando los electrones caen desde la banda de

conducción (de mayor energía) a la banda de valencia (de menor energía). Indudablemente, la

frecuencia de la radiación emitida y, por ende, su color, dependerá de la altura de la banda

prohibida (diferencias de energía entre las bandas de conducción y valencia), es decir, de los

materiales empleados. Los diodos convencionales, de silicio o germanio, emiten radiación

infrarroja muy alejada del espectro visible. Sin embargo, con materiales especiales pueden

conseguirse longitudes de onda visibles. Los LED e IRED, además tienen geometrías

especiales para evitar que la radiación emitida sea reabsorbida por el material circundante del

propio diodo, lo que sucede en los convencionales.

Tabla 2.2.1. Compuestos empleados en la construcción de un LED



ESTRUCTURA Y FOTOGRAFÍA DE UN DIODO

Figura 2.2.7. Estructura de un diodo LED.

Figura 2.2.8. Diodos LED comerciales.



2.3. DIODO LÁSER

El LED que acabamos de ver es una de las fuentes de luz más utilizadas tanto en

comunicaciones ópticas como en sistemas de visualizadores. Aun así el LED no es el

dispositivo de mayores prestaciones siendo una de sus ventajas, su fácil fabricación y su fácil

uso. Sus mayores desventajas son su amplio espectro de emisión y la imposibilidad de

utilizarlo en sistemas para modular con frecuencias superiores a un Gigahert. El diodo láser o

LD supera estas desventajas del LED aprovechando características especiales de las cavidades

ópticas y de la emisión estimulada. El resultado es que el LD es capaz de emitir señales con un

espectro dos órdenes de magnitud menor que el LED. Además puede ser modulado con

señales de hasta 50GHz y el haz luminoso del LD no se “abre” tanto como el LED pudiendo

generar rayos de luz de alta intensidad y muy focalizados.

Funcionamiento.

El diodo láser se utiliza igual que un diodo LED, es decir, como un diodo p-n polarizado

directamente. Sin embargo, aunque su estructura parece similar a la de un LED en lo que

respecta a electrones y hueco, no lo es en lo referente a los fotones.

Como en el caso del LED, inyectamos electrones y huecos en la zona activa polarizando

directamente el diodo láser. Para bajos niveles de inyección, estos electrones y huecos se

recombinan de forma radiante mediante el proceso de emisión espontánea, emitiendo fotones.

Sin embargo, la estructura del diodo láser está diseñada para que altos niveles de inyección el

proceso de emisión venga determinado por la emisión estimulada. La emisión estimulada

permite obtener una alta pureza espectral de la señal, fotones coherentes y una alta velocidad

de respuesta. La diferencia fundamental es pues la emisión espontánea en el LED y

estimulada en el LD.

Supongamos un electrón con un vector de onda k y un hueco con un vector de onda k en las

bandas de conducción y de valencia del semiconductor respectivamente. Si no hay fotones en

el semiconductor, el electrón y el hueco se recombinan emitiendo un fotón. Esto sería una

emisión espontánea, la cual ya fue estudiada en el tema anterior del LED.



Si existen fotones en el semiconductor y éstos tienen la misma energía hω que la diferencia de

energía entre electrón y hueco, además de la emisión espontánea se produce otro tipo de

proceso de emisión llamado emisión estimulada. El proceso de emisión estimulada es

proporcional a la concentración de fotones (de fotones con la energía adecuada para causar la

transición electrón-hueco). Los fotones emitidos tendrán la misma fase que los fotones

incidentes causantes de la emisión, es decir, tendrán la misma energía y vector de onda.

Figura 2.3.1. (a) En la emisión espontánea, el par electrón-hueco se recombina en ausencia de

otros fotones para emitir un fotón. (b) En emisión estimulada, un par electrón-hueco se

recombina en presencia de fotones de energía adecuada h para emitir fotones coherentes. En

emisión coherente los fotones emitidos están en fase con los ya existentes.



Composición Química de un Diodo Láser de Estado Sólido.

El funcionamiento del diodo láser lo determinan su composición química y su geometría.

Todos los diodos son, en esencia, estructuras de varias capas, formadas por varios tipos

diferentes de material semiconductor, en el caso del diodo láser, no es más que un bloque de

material semiconductor que contiene una unión p-n, con las regiones p y n muy densamente

dopadas y con una estructura interna más o menos compleja que se hace funcionar a modo de

diodo para producir un efecto láser.

Los diodos láser que emiten en la región 0.78 a 0.9 micrón, están formados por capas de

arseniuro de galio (GaAs) y arseniuro de aluminio y galio (ALGaAs) desarrollado sobre un

subestrato de GaAs. Los dispositivos para longitud de onda mayor, que emiten a 1.3 a 1.67

micrones, se fabrican con capas de arseniuro fosfuro de indio y galio (InGaASP) y fosfuro de

indio (InP), desarrollado sobre un subestrato de InP.

Figura 2.3.2. Un diodo láser de estado sólido o diodo de inyección para salida de onda continua de

energía infrarroja coherente, es una unión PN.



La ilustración muestra las características estructurales comunes a todos los diodos láser de

onda continua (OC). La base del diodo es un subestrato formado por GaAs o InP, tipo N, con

alta impurificación. Sobre la parte superior del subestrato, y a manera de descubrimiento, se

desarrolla una capa plana más ligera del mismo material, tipo N y con impurificación. Sobre la

capa de recubrimiento tipo N se desarrolla una capa activa de semiconductor (AlGaAs o

InGaAsP) sin impurificaciones. Después, sobre la capa activa de tipo P, con alto grado de

impurificación.

Cuando pasa la corriente por los contactos metálicos los electrones inyectados desde la capa

tipo N y los huecos inyectados desde la capa tipo P se recombinan en el área activa delgada, y

emiten luz. La luz viaja hacia atrás y hacia delante entre las facetas parcialmente reflejantes de

los extremos del diodo. La acción lasérica comienza al incrementarse la corriente. La ganancia

óptica en viaje redondo debe superar las pérdidas debidas a absorción y dispersión que se dan

en la capa activa, para sostener dicha acción.

Muchos diodos láser tienen una capa delgada de óxido, depositada sobre la parte superior de la

capa de cubierta final tipo P. En esta capa de óxido se hace un ataque químico de manera que

pueda formarse una cinta metálica de contacto en receso de poca profundidad,

longitudinalmente a lo largo de la superficie superior del diodo. El índice de refracción de la

capa activa es mayor que el del material tipo P y del material tipo N (las capas de

recubrimiento) que están arriba y abajo de ésta. Como resultado, la luz es atrapada en una guía

dieléctrica de ondas formada por las dos capas de recubrimiento y la capa activa, y se propaga

en ambas, la capa activa y las de recubrimiento.

El haz de luz que emerge del diodo láser forma una elipse vertical (en sección transversal),

aunque la región lasérica es una elipse horizontal. La luz que se propaga dentro del diodo, se

extiende hacia afuera en forma transversal (verticalmente) desde las capas de recubrimiento

superior e inferior.

Cuando el diodo está funcionando en el modo fundamental, el perfil de intensidad de su haz

emitido en el plano transversal, es una curva de Gauss de forma acampanada.



En el láser se amplifica la luz al viajar hacia atrás y hacia adelante en la dirección longitudinal,

entre las facetas de cristal de cada extremo del diodo. Los modos resonantes que se extienden

en dirección perpendicular a la unión PN, se llaman modos transversales. La inyección de

electrones y huecos en la capa activa situada abajo de la cinta metálica de contacto, altera el

índice de refracción de la capa activa, y confina la luz lateralmente para que no se disperse

hacia afuera, hacia ambos lados del centro de la capa activa.

Figura 2.3.4. Encapsulado comercial de un diodo láser



Figura 2.3.5. Un diodo láser empaquetado. Atrás una moneda

de un centavo estadounidense como referencia de escala.

Figura 2.3.6. Imagen de un chip del diodo láser contenido en el

paquete mostrado en la imagen superior. Se muestra en el

orificio de un aguja como referencia de escala.



2.4. CELDA FOTOVOLTAICA

Un poco de historia.

Descubierto en 1839 por el físico francés Alexandre-Edmon

Becquerel. Observo que se generaban pequeñas cantidades de

corriente cuando se iluminaba uno de los electrodos (AgCl-Pt) de

una solución electrolítica conductora, y apreció un aumento de la

generación eléctrica con la luz.

En 1883 Charles Fritts construye la primera celda solar con una

eficiencia del 1%. La primera celda solar fue construido con el Se

con una muy delgada capa de Au.

Debido al alto costo de esta celda se utilizó para usos diferentes a

la generación de electricidad como sensores de luz en la

exposición de cámaras fotográficas.

La época moderna de la celda de Si llega en 1954 en los

Laboratorios Bell. Accidentalmente experimentado con

semiconductores se encontró que el Si con algunas impurezas era

muy sensible a la luz.

Daryl Chapin, Clavin Fuller y Gerald Pearson, de los

Laboratorios Bell estructura fotovoltaica qué lograba convertir

luz en electricidad con una eficiencia razonable (6%).

Figura 2.4.1. Alexandre-

Edmon Becquerel. Fue un

físico francés que estudio el

espectro solar, magnetismo,

electricidad y óptica.

Figura 2.4.2. Primera estructura fotovoltaica con una eficiencia razonable. Elaborada

en Laboratorios Bell.



Las celdas fotovoltaicas son elaboradas con materiales semiconductores como el silicio o el

selenio siendo el primero de estos el que más se utiliza ya que tiene una eficiencia mayor, sin

embargo el silicio que es utilizado para la construcción de éstas tiene que ser del tipo P y tipo

N. Estos tipos de silicio se obtienen mediante un proceso llamado dopaje en el cual se le

agregan impurezas (átomos de otros elementos con número de valencia diferente) a dicho

material para mejorar su conductividad eléctrica.

Figura 2.4.3. Esquema básico de una celda solar de Si cristalino.



Principio de funcionamiento.

Como ya se mencionó, las celdas solares están constituidas por materiales semiconductores,

principalmente silicio, y son elementos que transforman directamente parte de la energía solar

que reciben en energía eléctrica. Los electrones de valencia del material semiconductor de la

célula, que están ligados débilmente al núcleo de sus átomos, son arrancados por la energía de

los fotones de la radiación solar que inciden sobre ella. Este fenómeno se denomina efecto

fotovoltaico.

La rotura de enlaces y la aparición de un par electrón-hueco puede producirse por la absorción

de un fotón de energía suficiente (efecto fotovoltaico) o por agitación térmica. El proceso

contrario, es decir, la recombinación o desaparición de un par electrón-hueco puede producirse

al encontrarse un electrón libre y un hueco o por la existencia de un defecto de la estructura del

material semiconductor.

Figura 2.4.4. (a) Estructura básica del silicio tipo n en una celda fotovoltaica. (a) Estructura

básica del silicio tipo p en una celda fotovoltaica.



Tanto la energía necesaria para que ocurra el proceso de generación como la cedida en el de

recombinación, tiene un valor determinado, Eg , denominado ancho de banda prohibida. Así,

estos dos fenómenos pueden escribirse con la ecuación reversible siguiente:

Los electrones libres y los huecos creados por la ruptura del par electrón-hueco tienden a

difundirse desde las zonas iluminadas, donde se crean, a las zonas oscuras. Para evitar la

recombinación es necesario crear en el interior del semiconductor un campo eléctrico,

mediante una unión “P-N”, que separe físicamente éstos dos tipos de portadores o cargas libres

móviles, apareciendo así una intensidad de corriente neta que atraviesa la célula solar en

sentido de ese campo.

Cuando la radiación solar incide sobre la célula, los fotones con energía suficiente rompen el

par electrón-hueco dejando éstos portadores libres (efecto fotovoltaico). El campo eléctrico de

la unión “P-N” separa éstos portadores para evitar que se recombinen, llevando los electrones

a la zona “N” y los huecos a la zona “P”, apareciendo de ese modo una intensidad de corriente

neta que atraviesa la célula solar en el sentido de ese campo, de la zona “N” a la zona “P”.

El proceso del principio físico de la celda solar se puede resumir en los siguientes pasos:

• Los fotones incidentes son absorbidos y se generan pares electrón-hueco, tanto en la región P

de la unión como en la región N. Supondremos que se genera una pareja por fotón.

• Los electrones y huecos generados a una distancia inferior a Lp o Ln (longitud de difusión

del hueco y electrón) de la zona de vaciamiento, llegan a ella por difusión. En la zona de

vaciamiento también se generan pares electrón-hueco debido a la radiación que incide.

• En la zona de vaciamiento, cada miembro de la pareja es separado por el campo eléctrico

presente: los huecos se dirigen a la región P y los electrones a la región N.

ge h E



Aplicaciones.

Deben su aparición a la industria aeroespacial, y se han convertido en el medio más fiable, de

suministrar energía eléctrica a un satélite o a una sonda en las órbitas interiores del Sistema

Solar. Esto es gracias a la mayor irradiación solar, sin el impedimento de la atmósfera, y a su

bajo peso.

En tierra, son la fuente solar más popular en instalaciones pequeñas o en edificios, frente al

método de campos de espejos heliostatos empleados en las grandes centrales solares.

Junto con una pila auxiliar, se usa habitualmente en ciertas aplicaciones de poco consumo

como boyas o aparatos en territorios remotos, o simplemente cuando la conexión a una central

de energía sea impracticable. Su utilización a gran escala se ve restringida por su alto coste,

tanto de compra como de instalación. Hasta ahora, los paneles fotovoltaicos ocupan una

pequeña porción de la producción mundial de energía.

La experiencia en producción e instalación, los avances tecnológicos aumentando la eficiencia

de las celdas solares, las economías de escala en un mercado que crece un 40% anualmente,

unido a las subidas en los precios de los combustibles fósiles, hacen que las se empiece a

contemplar la fotovoltaica para producción eléctrica de base, en centrales conectadas a red.

Actualmente muchos gobiernos del mundo (Alemania, Japón, EEUU, España, Grecia, Italia,

Francia) están subvencionando las instalaciones con un objetivo estratégico de diversificación

y aumento de las posibilidades tecnológicas preparadas para crear electricidad de forma

masiva. La gran mayoría de las instalaciones conectadas a red están motivadas por primas muy

elevadas a la producción, pagándose al productor 5 o 6 veces el coste de la energía eléctrica

generada por vías tradicionales, o mediante incentivos fiscales, lo que ha generado críticas

desde grupos favorables a un mercado libre de generación eléctrica.



3. FOTORESISTOR (LDR)

Un poco de historia.

El primer estudio de los fotoconductores fue realizado por Willoughby Smith en 1873 al

descubrir las variaciones de resistencia en un trozo de selenio expuesto a diferentes

intensidades de luz.

En 1900 se reprodujeron efectos similares en válvulas de vacío hasta llegar a una primer

introducción comercial en 1927 al utilizarse en la industria del cine, al permitir convertir

patrones de luz en el sonido de la película.

En 1940 comenzó la comercialización de medidores de oxígeno en sangre, con cadmio como

material fotosensible, basándose en el principio de absorción de una frecuencia especifica de

luz de la hemoglobina.

Estructura.

Los fotoconductores se definen como materiales que aumentan sus propiedades conductoras

de electricidad al absorber radiación electromagnética. Al incidir la luz sobre un

semiconductor con éstas propiedades aumentan la cantidad de electrones libres disminuyendo

su resistividad eléctrica.

Un fotoresistor o LDR está compuesto por dos terminales en los extremos de un

semiconductor de alta resistencia (en el orden de los MOhm) que al recibir luz en espectro

visible disminuye su resistencia a algunos cientos de Ohm.

Se puede modelar la resistencia Rv de un LDR ideal como opuesta linealmente a la

iluminancia, a menos de una constante. En la Figura 3.1.1 se plantea la relación entre Rv y la

iluminancia de un LDR. En la Figura 3.1.2 se plantea un modelo real sobre el LDR.



Figura 3.1.1. Relación de Rv entre la resistencia y la

iluminancia.

Figura 3.1.2. Modelo real de un RLD.



Analizando el nudo de corrientes planteado en el modelo (Figura 3.1.2) se obtiene:

1

* *

LDR LDR LDRLDR

D V Lp

V V VI

R R Rj w C

Se observa una resistencia en paralelo RD que caracteriza el comportamiento en la obscuridad.

Al aumentar la iluminancia sobre el dispositivo, Rv disminuye tendiendo a 0. En condiciones

de máxima iluminancia se obtiene RL como la resistencia total de un LDR.

Se plantea como una no idealidad del dispositivo la capacitancia parásita generada entre sus

dos terminales la cual limita el ancho de la banda de la señal.

El desgaste de un LDR es progresivo y altamente dependiente de la temperatura de operación.

Se puede caracterizar como una disminución del 10% de su resistencia en obscuridad por un

año o en condiciones de máxima temperatura de operación.

Es posible clasificar los LDR por el material utilizado como semiconductor:

Intrínseco: Se utiliza un material semiconductor que al recibir radiación

electromagnética resulta en la excitación de sus electrones de la banda de valencia

hacia la banda de conducción.

Extrínseco: Se dopa el semiconductor con portadores de carga donadores de electrones.

Esta técnica permite construir dispositivos excitables a mayores longitudes de onda, en

particular radiación infrarroja. Requieren un mayor control en su temperatura de

operación.

En la Figura 3.1.3 presentamos una estructura típica de un fotoresistor. Éste consiste en una

capa de material semiconductor sobre una capa material con propiedades aislantes y de buena

conducción del calor. Para mantener una baja resistencia en condiciones de alta iluminancia se

busca minimizar la resistencia aportada por los contactos entre el semiconductor y los

terminales. Se utiliza un semiconductor más dopado para obtener una baja resistencia en la



capa de contacto entre el semiconductor en un patrón de “zigzag” para aumentar el área

expuesta, manteniendo baja distancia entre los terminales, y por consiguiente, una alta ganacia.

En la Figura 3.1.4 se presenta un LDR típico, en la Figura 3.1.5 el símbolo utilizado para su

representación en un circuito esquemático y en la Figura 3.1.6 se representa un LDR

comercial.

Figura 3.1.3. Estructura interna de un LDR.



Figura 3.1.4. Dibujo de un LDR típico.

Figura 3.1.5. Símbolo eléctrico de un LDR.



Aplicaciones.

Fotoresistores vienen en muchos tipos. Células de sulfuro de cadmio baratos se pueden

encontrar en muchos productos de consumo, tales como cámara mide la luz, farolas, radio

reloj, dispositivos de alarma, relojes al aire libre, farolas solares y clavos de carretera solar.

También se utilizan en algunos compresores dinámicos junto con una pequeña lámpara

incandescente o diodo emisor de luz para controlar la reducción de ganancia y también se

utilizan en lámparas de la cama.

Sulfuro de plomo y antimonio de indio LDR se utilizan para la región del espectro infrarrojo

medio. Ge: Cu fotoconductores están entre los mejores detectores de infrarrojo lejano

disponibles, y se utilizan para la astronomía infrarroja y espectroscopia de infrarrojos.

Figura 3.1.6. Fotografía de un LDR comercial.



BIBLIOGRAFÍA:

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Albella Martín José, Martinez-Duart josé manuel, Agulló Rueda Fernando, Fundamentos de

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Hemenway, Henry y Caulton. Fisica Electónica. Editorial Lumusa.

http://www.electrosector.com/wp-content/ftp/descargas/diodo.pdf

http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/electro_gen/teoria/tema2-teoria.pdf

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tipos de diodos

Engineering