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EL DIODO SEMICONDUCTOR
Si se junta un cristal dopado con material tipo P, en conjunto a un material tipo N, se presenta
un dispositivo denominado Diodo como se muestra en la figura #2.1.
Figura #2.1: Unión P - N
La palabra Diodo proviene de las palabras DI = dos y ODO = Electrodo, es decir, elemento de
dos terminales. Al terminal conectado al lado P del diodo recibe el nombre de Anodo y al
terminal conectado al lado N del diodo recibe el nombre de Cátodo y a la unión de los dos
materiales se denomina Juntura.
Producto de la mutua repulsión que sufren los electrones libres del lado N, estos electrones
son repelidos a muchas partes y algunos de estos electrones atraviesan la juntura y se pasan al
lado P uniéndose a un hueco de la banda de valencia para formar así un enlace covalente.
Al
saltar el electrón desde el lado N genera un huecos en dicho lugar y por lo tanto se puede
considerar que se produce un movimiento de electrones desde el lado N al lado P y también se
produce un movimiento de huecos desde el lado P al lado N, la figura #2.2 muestra este
proceso el cual se denomina Difusión.
Figura #2.2: Proceso de Difusión en el diodo
Se podría pensar que el proceso de difusión duraría por mucho tiempo, sin embargo, cada vez
que un electrón del lado N pasa al lado P, deja un ion positivo en el lado N por la ausencia del
electrón y por el contrario, en el lado P dejará un ion negativo producto de su presencia. Esto
es, cada vez que un electrón del lado N se difunde (hacia el lado P) deja un par de iones
cercano a la juntura.
Como los primeros electrones que se difunden se encuentran cerca de la juntura, van dejando
esta área sin electrones y de huecos en el lado P, razón por la cual se denomina zona de
agotamiento o zona desierta. A su vez, los iones en la capa de agotamiento van dejando cada
vez más cargada la zona desierta, el cual actúa como una barrera que impide que nuevos
electrones sigan cruzando la juntura. La figura #2.3 muestra este efecto, considerando que
los signos ( + ) y ( - ) corresponden a los electrones y huecos respectivamente, mientras que los
mismos signos encerrados con un circulo corresponden a los iones positivos y negativos,
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Figura #2.3: Barrea de potencial
En efecto, para que un electrón del lado N pueda sobrepasar la juntura, deberá primero saltar
la barrera de iones negativos que se encuentran en el lado P que tiende a repeler dicho
electrón y dejarlo nuevamente en su posición original en el lado N.
La barrera de potencial genera una diferencia de potencial cuyo valor es V  =0,7Volt si el
semiconductor es de Silicio y de V =0,3 Volt si el semiconductor es de Germanio (valores
aproximado). La figura #2.4 muestra el símbolo esquemático del Diodo.
Figura #2.4: Simbología esquemática del diodo
Aun cuando hay muchos tipos de encapsulados que utiliza un diodo dependiendo de la corriente
y potencia que el dispositivo es capas de soportar, el más utilizado se muestra en la figura 2.5
Figura #2.5:Dido de bajas y medias corrientes
La franja blanca o plateada que se observa en al costado derecho de la figura #2.5, representa
al lado N o terminal cátodo del diodo.
Polarización del Diodo
Polarizar un dispositivo electrónico, implica conectar una batería o Fuente de alimentación
continua para su funcionamiento. Para el caso del diodo, se puede realizar dos tipos de
polarización, llamadas Polarización Directa y Polarización Inversa.
a) Polarización Directa:
Consiste en aplicar los terminales de la batería, de manera tal el terminal Positivo de la batería
quede conectado al Anodo o terminal P del diodo y el terminal Negativo de la batería quede
conectado al Cátodo o terminal N del diodo. La figura #2.6 muestra este tipo de conexión.
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Figura #2.6: Polarización directa
Como se puede apreciar en al figura 2.6, los electrones libres del lado N del diodo, están
sujetos a dos fuerzas de repulsión. Hacia la izquierda producto del terminal negativo de la
batería y hacia la derecha producto de la barrea de potencial. Esto implica que el electrón se
moverá hacia la izquierda, si y solo si, la fuerza de repulsión del terminal negativo de la batería
sea mayor a la barrera de potencial (esto es, un voltaje de la batería mayor o igual a
V=0,7Volt para el Silicio). Una situación similar ocurre con los huecos del lado P. La figura
#2.7 muestra tal situación.
Figura #2.7: Polarización directa
La secuencia que se produce con los electrones para una polarización directa, con un voltaje de
batería mayor o igual a V =0,7Volt para el Silicio es la siguiente:
1.- Después de salir el electrón desde el terminal negativo de la batería, se introduce por el
extremo derecho del diodo (lado N), para ser ingresado como electrón libre.
2.- Viaja a través de la región N como electrón libre en un movimiento hacia la izquierda o lado
P.
3.- Cuando el electrón salta la juntura hacia el lado P, se recombina con un hueco de la banda de
valencia, convirtiéndose así en electrón de valencia.
4.- Ya en lado P, el electrón viaja como electrón de valencia (saltando de hueco en hueco) hacia
la izquierda (terminal positivo de la batería).
5.- Después de salir del lado izquierdo del cristal, fluye hacia el terminal positivo de la fuente.
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En forma análoga se puede decir sobre el movimiento de huecos en el lado P.
La secuencia anteriormente indicada, refleja muy claramente por que se produce la conducción
de corriente, que no es otra cosa que el movimiento de electrones y/o huecos por unidad de
tiempo. Sin embargo, se deben aclarar algunos puntos necesarios sobre dicha secuencia.
a.- El sentido convencional que se da a la corriente, es inverso al movimiento de los electrones,
esto es, el sentido de la corriente convencional para el caso anteriormente mencionado sería
de izquierda a derecha.
b.- El hecho que el electrón libre en la banda de conducción del lado N, baje como electrón de
valencia en el lado P, obliga a que este electrón libere energía (en la mayoría de los casos,
esta energía se libera como calor y es por eso es que los diodos se calientan cuando
conducen). En algunos diodos especiales, esta energía se libera como energía luminosa y a
estos diodos se denominan diodos LED (Diodo Emisor de Luz).
c.- En la práctica, no es que el electrón se desplace físicamente desde un terminal a otro, si no
que realiza un pequeño “empujón” al electrón contiguo y así sucesivamente, cuyo efecto es
similar al desplazamiento total del electrón.
d.- Dada que la resistencia macroscópica del semiconductor es baja, la corriente estará
limitada fundamentalmente por la resistencia externa.
e.- El voltaje que queda en el diodo, corresponde al potencial de Barrera más la corriente que
circula por el circuito multiplicada por la resistencia macroscópica del diodo (ley de Ohms),
es decir:
Vd = V+ I*Rd con Rd = Resistencia del diodo.
f.- La zona desierta que se produce en la juntura disminuye.
b) Polarización inversa:
Consiste en aplicar los terminales de la batería, de manera tal el terminal Positivo de la batería
quede conectado al Cátodo o terminal N del diodo y el terminal Negativo de la batería quede
conectado al Anodo o terminal P del diodo. La figura #2.8 muestra este tipo de polarización.
Figura #2.8: Polarización inversa
Como se puede observar en la figura #2.8. La fuerza eléctrica obliga a los electrones libres
del lado N a trasladarse hacia la derecha o terminal positivo de la batería, esto implica, que en
la juntura estará cada vez más ausente de electrones, es decir, la zona desierta se ensancha y
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la barrera de potencial tendrá cada vez mas iones, es decir esta barrera aumentará. Una
situación similar ocurrirá con los huecos del lado P como ase observa en la figura #2.9.
Figura #2.9: Polarización inversa
Esta situación de polarización inversa conlleva varias interrogantes:
a) ¿Hasta donde se desplazará el electrón?
R) Si observamos la figura #2.9b. Nos damos cuenta que la fuerza eléctrica de la batería
permite desplazar al electrón hacia la derecha, sin embargo, este desplazamiento genera
un aumento de la barrera de potencial que a su vez tenderá a desplazar al mismo electrón
hacia la juntura (efecto similar al de una cuerda que es jalada de ambos extremos). Por lo
tanto, el electrón se desplazará hasta tal punto en que la fuerza eléctrica de la batería sea
de igual valor a la fuerza eléctrica de la barrera de potencial. Esto es, cuando la barrera de
potencial tenga el mismo valor que el voltaje de la batería.
b) ¿Esto significa que no hay corriente circulando por el diodo?.
R) Deberíamos decir que efectivamente no hay corriente apreciable circulando por el diodo,
sin embargo, nos damos cuenta que en cada lado del diodo hay portadores minoritarios
producidos por la generación del par hueco - electrón, esto es, huecos de valencia en el
lado N y electrones libres en el lado P. Luego, una polarización inversa implica polarización
directa para estos portadores minoritarios. Por tanto la respuesta correcta será que no
hay circulación de corriente apreciable producto de los portadores mayoritarios, sin
embargo, existe una pequeña corriente (normalmente despreciable) producto de los
portadores minoritarios y que a su vez, esta corriente denominada corriente inversa de
saturación Is es altamente dependiente de la temperatura (ya que se produce un aumento
en el rompimiento de los enlaces covalentes y generación de pares hueco-electrón con el
aumento de la temperatura). Se puede demostrar que esta pequeña corriente (del orden
de los pico Amperes) se duplica con un aumento de 10ºC de temperatura y es independiente
del voltaje inverso aplicado.
También existe otra corriente denominada corriente
superficial de fuga ISL, que se produce principalmente por las impurezas que quedan en
las superficies del cristal que forman trayectorias Ohmicas para las corrientes, es decir,
actúa de acuerdo a la ley de Ohm. Sin embargo, esta corriente también es del orden de los
pico Amperes. Los manuales técnicos normalmente llaman a estas dos corrientes como una
sola denominada corriente inversa IR, comúnmente esta corriente es especificada para un
voltaje inverso VR especifico y para una temperatura específica. De manera tal que al
aumentar el voltaje inverso y/o la temperatura, aumentará la corriente inversa.
En resumen, podemos decir que en polarización directa no hay circulación de corriente
apreciable y todo el voltaje de la batería externa caerá en el diodo (específicamente, en la
barrera de potencial).
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c) ¿Qué ocurre si el voltaje inverso es muy grande?.
R) En este caso el electrón libre del lado P (portador minoritario), se desplazará con
energía cinética que al chocar con un enlace covalente, lo romperá y habrá dos electrones
libres. Estos dos electrones chocaran con dos enlaces covalentes dejando cuatro
electrones libres y así sucesivamente, es decir, se produce un efecto llamado efecto de
avalancha y se producirá un aumento brusco de la corriente denominada corriente de
avalancha, sin embargo, el voltaje del diodo se mantendrá en su mismo valor al momento de
producir el efecto de avalancha. En los diodos rectificadores el voltaje inverso de
avalancha es muy grande (del orden de los cientos de volt) y al producir un aumento brusco
de corriente debido a la avalancha, también se producirá un aumento brusco de la potencia
de disipación que terminará por “quemar” al diodo. Por este motivo, al voltaje inverso de
avalancha se denomina voltaje de ruptura VB y es un valor que no debe de sobrepasarse al
momento de diseñar algún circuito con este tipo de diodos llamados comúnmente como
diodos rectificadores.
Existe una clase de diodos llamados Diodos Zener cuyo voltaje de avalancha es bajo (del
orden de los volts), y por tanto, si se limita la corriente de avalancha se puede tener
corriente con polarización inversa sin necesidad de “quemar” a este diodo. La particularidad
es que el voltaje del diodo es muy estable y su uso principal es de utilizarce como
reguladores referenciales de voltajes. Por tal motivo, al voltaje inverso de avalancha se
denomina voltaje zener. La figura #2.10 muestra el símbolo esquemático para representar
al diodo zener.
Figura #2.10: Simbología del diodo Zener
Con los datos obtenidos de las polarizaciones directa e inversa del diodo, se puede obtener la
curva característica del diodo como se muestra en la figura #2.11.
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La curva de un diodo semiconductor (o diodo real) se puede definir por la siguiente ecuación:
Con: K = 11,600/n y n=1 para Ge
o n=2 para Si
TK = TC° + 273°
Para un diodo de silicio la corriente de saturación inversa IS aumentará cerca del
doble en magnitud por cada 10° C de incremento en la temperatura.
En resumen, se puede decir que la conducción de corriente se realiza solamente en polarización
directa. En efecto, para probar el estado de un diodo, se utiliza un multitester en posición de
impedancia (Ohms), de manera tal que en polarización inversa se produce una impedancia muy
alta (equivalente a circuito abierto) en cambio en polarización directa su impedancia es menor.
Hoy en día, los multitester digitales tienen una posición de prueba de diodo, de manera tal en
dicha posición entrega un valor relativo a la impedancia o voltaje del diodo, así, en polarización
directa su impedancia o voltaje es menor que en polarización directa. Cuando el diodo está en
mal estado, la indicación del multitester entregará el mismo valor sin importar la posición de
los terminales.
Conocido el comportamiento del diodo, es muy conveniente determinar el valor de las
corrientes y voltajes en un circuito que contengan diodos, en otras palabras, se trata de
analizar los circuitos que posean diodos.
ANÁLISIS POR RECTA DE CARGA
La carga o la resistencia de carga (RL o R) aplicada a un circuito, tendrá un efecto importante
sobre el punto de región de operación de un dispositivo (en este caso el diodo). Ejemplo:
Considere el circuito de la figura 2.12 y curva característica de la figura 2.13.
Figura #2.12: Circuito básico con diodo
Figura #2.13: Curva del diodo
Si se aplica la ley de voltajes de Kirchoff se obtiene: -
V+ VD + VL = 0 o bien V = VD +ID*RL.
Si se realiza un análisis en esta malla, de tal manera que pueda trazarse una línea recta sobre
la curva de características del diodo, entonces la intersección de éstas representará el punto
de operación de la red o punto Q.
a) Considere el punto 1, para la cual se hace
VD = 0, es decir
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Luego: Pto1.
ID = V / RL y VD = 0.
b) Considere el punto 2, para la cual se hace ID=0, es decir:
Luego pto2:
V = VD
e ID=0
Con estos dos puntos se grafican sobre la curva del diodo (Fig. #2.13) y se unen los puntos
mediante una recta denominada recta de carga, como se observa precisamente en la figura
#2.14.
Figura #2.14: Curva del diodo y recta de carga del circuito de la figura 2.12
Nótese que la recta de carga queda determinada en sus extremos por RL y V, de tal manera
que representa las características de la red. Si se modifica el valor de V o de RL o de ambos,
entonces la recta de carga cambiará también.
Como se mostró anteriormente, una línea recta trazada entre estos dos puntos define la recta
de carga que corresponde al conjunto de puntos que satisface la ecuación de malla. La
intersección entre la recta de carga y la curva del diodo, corresponde al punto de trabajo o
punto Q, es decir, si proyectamos el punto Q
Sobre los respectivos ejes, nos encontraremos con la corriente que estará circulando por el
diodo (IDQ) y el voltaje que tiene el diodo (VDQ), para las condiciones dadas en el circuito.
Aproximaciones para el diodo
El circuito analizado anteriormente es muy simple, sin embargo, este tipo de análisis se puede
complicar mucho para circuitos de mayor complejidad. Para evitarlo, se han desarrollado
aproximaciones de las características del diodo, con el objeto de simplificar su análisis.
1ª aproximación (diodo ideal)
El diodo ideal es un dispositivo de dos terminales que tiene el símbolo y las características que
se muestra en la figura 2.15.
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Figura 2.15: Característica del diodo ideal
En forma ideal, un diodo conducirá corriente en la dirección definida por la flecha en el símbolo
y actuará como un circuito abierto para cualquier intento de establecer corriente en la
dirección opuesta. En esencia:
Las características de un diodo ideal son las de un interruptor que puede conducir
corriente en una sola dirección.
Como se puede observar, la primera aproximación dista bastante de la característica de un
diodo real, sin embargo, es muy útil al momento de realizar un análisis rápido para un circuito
con diodos.
2ª aproximación
En esta aproximación se considera el Vdel diodo para el caso de polarización directa, como se
muestra en la figura #2.16.
Figura #2.15: Segunda aproximación del diodo
De la figura #2.15, se pueden obtener las siguientes conclusiones:
a) En la zona inversa, el diodo sigue comportándose como un circuito abierto, esto es,
ID=0Amper.
b) En la zona directa, el diodo requiere de un voltaje superior o igual a Vesto es 0,7 Volt si
el diodo es de Silicio y 0,3 Volt si el diodo es de Germanio, para que pueda conducir, de lo
contrario, el diodo actuará como circuito abierto.
c) El voltaje en el diodo es constante y tiene un valor de V
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3ª aproximación
En esta aproximación se considera el Vdel diodo y además la resistencia macroscópica del
dispositivo, que es un linealizacón de la curva característica para el caso de polarización
directa, como se muestra en la figura #2.16.
Figura #2.16: Tercera Aproximación del diodo
En este caso, no se considera el caso de la polarización inversa, pues, su comportamiento es
idéntico al caso de la 1ª y 2ª aproximación.
Ejercicios resueltos:
En los diversos circuitos que se muestran a continuación, determine ID y VR. Considere
segunda aproximación.
1.- Con V = 12 volts
Realizando la malla:
-V + VD+ VR = 0
-12+ 0.7 + ID*R = 0
Despejando ID de la ecuación anterior:
ID = (12 - 0.7)/1.2 k = 9.42 mA; VR = ID*R , Luego VR= 11,3V
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2.- Si en el ejemplo anterior se invierte el diodo:
Con el diodo invertido la corriente por el diodo será cero (si se utiliza el modelo simplificado)
y entonces I = 0.
-12 + VD + VR = 0, donde VR = I*R = 0
VD = 12 volts
I = ID = 0 A
3.- Considere el mismo circuito inicial pero con V = 0,4 volts.
En este caso, aunque la polaridad del voltaje de la fuente es adecuada para polarizar el diodo
en forma directa, sin embargo, el nivel de voltaje es insuficiente para activar al diodo de silicio
y ponerlo en el estado de conducción
Otros tipos de diodos
Además del diodo rectificador y diodo Zener, existen otros tipos de diodos que son muy
utilizados para aplicaciones particulares de la electrónica, entre ellos se cuenta con:
1) Diodos emisores de luz (leds):
Un diodo emisor de luz es un dispositivo de unión PN que cuando se polariza directamente
emite luz, para ello, al aplicarse una tensión directa a la unión, se inyectan huecos en la capa P y
electrones en la capa N. Como resultado de ello, ambas capas tienen una mayor concentración
de portadores (electrones y huecos) que la existente en equilibrio. Debido a esto, se produce
una recombinación de portadores, liberándose en dicha recombinación la energía que les ha sido
comunicada mediante la aplicación de la tensión directa.
Se pueden distinguir dos tipos de recombinación en función del tipo de energía que es liberada:
a) Recombinación no radiante: la mayoría de la energía de recombinación se libera al
cristal como energía térmica (calor).
b) Recombinación radiante: la mayoría de la energía de recombinación se libera en forma
de radiación (posible emisión de luz). La energía liberada cumple la ecuación:
E=HF =HC/ Donde :
 = Longitud de onda del fotón.
E = diferencia de energía entre el electrón y el hueco que se recombinan expresada en
electrón- voltios, Esta energía depende del material que forma la unión PN.
C = Velocidad de la luz 3·108m/s
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H = Constante de Planck.
La figura #2.17muestra el símbolo del diodo LED.
Figura #2.17: Diodo LED
En general, el diodo LED puede ser tratado de manera análoga a un diodo normal. Sin embargo
conviene tener en cuenta que los diodos LED no están fabricados de silicio, ya que el silicio es
incapaz de emitir fotones. Debido a ello, la tensión de polarización directa VD depende del
material con el que esté fabricado el diodo. La tabla #1, muestra el tipo de elemento, longitud
de onda, tipo de luz irradiada y voltaje de potencial utilizado en la fabricación de diodos LED
Elemento
Longitud de onda
Irradiación
AsGa
InGaAsP
AsGaAl
AsGaP
InGaAlP
Csi
904 nm
1300 nm
750-850 nm
590 nm
560 nm
480 nm
IR
IR
Rojo
Amarillo
Verde
Azul
Voltaje de barrera
de potencial
1V
1V
1,5 V
1,6
2,7 V
3V
Tabla #1: Tipos de diodos LED
Nota: IR implica radiación infrarroja, esto es, no es luz visible.
2) Diodos Laser: La palabra LASER es un acrónimo de Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation. Las aplicaciones de estos diodos son muy diversas y
cubren desde el corte de materiales con haces de gran energía hasta la
transmisión de datos por fibra óptica.
Los diodos láser son constructivamente diferentes a los diodos LED normales. Las
características de un diodo láser son
a) La emisión de luz es dirigida en una sola dirección: Un diodo LED emite fotones en
muchas direcciones. Un diodo láser, en cambio, consigue realizar un guiado de la luz
preferencial una sola dirección como se muestra en la figura #2.18.
Figura #2.18: Emisión de fotones para los dispositivos que se indican
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b) La emisión de luz láser es monocromática: Los fotones emitidos por un láser poseen
longitudes de onda muy cercanas entre sí. En cambio, en la luz emitida por diodos LED, existen
fotones con mayores dispersiones en cuanto a las longitudes de onda como se muestra en la
figura #2,19.
Figura #2,19: Longitudes de ondas
Debido a estas dos propiedades, con el láser se pueden conseguir rayos de luz monocromática
dirigidos en una dirección determinada. Como además también puede controlarse la potencia
emitida, el láser resulta un dispositivo ideal para aquellas operaciones en las que sea necesario
entregar energía con precisión. Los materiales utilizados para la fabricación de diodos láser
son prácticamente los mismos que en diodos LED.
Dispositivos fotodetectores: son aquellos componentes que varían algún parámetro eléctrico
en función de la luz. Todos los componentes fotodetectores están basados en el mismo
principio, esto es, si construimos un componente con un material semiconductor de manera que
la luz pueda incidir sobre dicho material, la energía luminosa generará pares electrón - hueco.
Entre los dispositivos fotodetectores se tienen:
a) Fotorresistencias: Se compone de un material semiconductor cuya resistencia varia en
función de la iluminación. Para ello, reduce su valor resistivo en presencia de rayos luminosos.
Es por ello por lo que también se le llama resistencias dependientes de luz (light dependent
resistors), fotoconductores o células fotoconductoras. Cuando incide la luz en el material
fotoconductor se generan pares electrón - hueco. Al haber un mayor número de portadores, el
valor de la resistencia disminuye.
Figura #2.20: Estado de conducción
con fotogeneración
Si dejamos de iluminar, los portadores fotogenerados se recombinarán hasta volver hasta sus
valores iniciales. Por lo tanto el número de portadores disminuirá y el valor de la resistencia
será mayor.
Figura #2.21: Estado de conducción sin
fotogeneración
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Por supuesto, el material de la fotorresistencia responderá a unas longitudes de onda
determinadas. Es decir, la variación de resistencia será máxima para una longitud de onda
determinada. El material mas utilizado como sensor es el CdS, aunque también puede utilizarse
Silicio, GaAsP y GaP.
b) Fotodiodos: Son diodos de unión PN cuyas características eléctricas dependen de la
cantidad de luz que incide sobre la unión. En la figura #2.22 se muestra su simbología y
curva característica.
Simbología
Curva característica
Figura #2.22: Simbología y curva característica de un fotodiodo
El fotodiodo utiliza la generación de pares electrón - hueco generados por la energía
luminosa, teniendo una gran incidencia en portadores minoritarios, que son los
responsables de que el diodo conduzca ligeramente en inversa. De manera tal, que el
comportamiento del fotodiodo en inversa se ve claramente influenciado por la incidencia
de luz.
Un fotodiodo presenta una construcción análoga a la de un diodo LED, en el sentido que
necesita una ventana transparente a la luz por la que se introduzcan los rayos luminosas
para incidir en la unión PN. En la Figura #2.23, aparece una geometría típica. Por supuesto,
el encapsulado es transparente a la luz.
Figura #2.23: Geometría del foto diodo
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