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Capítulo 12 Diodos
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Capítulo 12
Diodos
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Capítulo 12 Diodos
12.1.1
Introducción
Para el estudio de la teoría de funcionamiento de los diodos, transistores, y
circuitos integrados, es necesario comprender las características básicas de los
semiconductores. En este capítulo se discutirán los conceptos básicos de la
teoría atómica, y luego se presentará paso a paso la operación de los diodos.
Además, se presentarán algunos principios básicos, símbolos y aplicaciones de
semiconductores específicos.
12.1.2
Semiconductor Intrínseco
Todos los materiales están formados por átomos, que a su vez están
compuestos de electrones, protones y neutrones. Para comprender mejor un
semiconductor, en esta sección veremos la constitución de los átomos y dos de
los principales materiales semiconductores: el silicio y el germanio.
Un átomo es la partícula más pequeña que tiene las características originales
del elemento al cual pertenece. Para los diferentes elementos debe haber
diferentes átomos, lo que significa que cada elemento posee una constitución
única y específica de sus átomos.
Electrón en órbita
Núcleo
Fig. 12.1 Modelo atómico de Bohr
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Capítulo 12 Diodos
Según el modelo atómico clásico de Bohr, la estructura de un átomo es como
un sistema planetario. El centro del sistema es el núcleo, y los planetas son los
electrones que giran alrededor del núcleo en órbitas, como se ve en la Fig. 12.1
El núcleo está compuesto de protones, con carga positiva y neutrones, que no
tienen carga. El electrón es la partícula básica con carga negativa. Los átomos
de cada elemento tienen un cierto número de electrones y protones. No
obstante, la cantidad de electrones es siempre igual al número de protones
para cada átomo. Esto permite que el número de cargas positivas sea igual al
número de cargas negativas, y se mantiene en estado neutral. Por ejemplo, el
átomo más simple que existe es el de Hidrógeno, que posee un protón y un
electrón, como se muestra en la Fig. 12.2(a). En la Fig. 12.2(b) e aprecia el
átomo de helio, que tiene dos protones, dos neutrones y dos electrones que
giran alrededor en órbitas.
Un electrón en órbita
Dos electrones
en órbita
Dos protones y
dos neutrones
en el núcleo
Un protón
(a) Átomo de Hidrógeno
(b) Átomo de Helio
Fig. 12.2 – Átomos de Hidrógeno y de Helio
Un semiconductor es un elemento con 4 electrones de valencia. Esto significa
que existen 4 electrones en la órbita exterior de los átomos del material
semiconductor, y se llaman electrones de valencia. La cantidad de electrones
de valencia es el punto clave en la conductividad de un elemento. Un conductor
tiene un electrón de valencia, el semiconductor tiene 4 electrones de valencia y
el aislador tiene ocho electrones de valencia.
Tanto el silicio como el germanio tienen cuatro electrones en su órbita exterior,
como se muestra en las Fig. 12.3 y 12.4. Por lo tanto, generalmente se usa
silicio o germanio como materiales semiconductores. El átomo de germanio se
muestra en la Fig. 12.3, y tienen 32 protones en el núcleo. Sus electrones se
distribuyen en órbitas según el siguiente orden: dos electrones en la primera
órbita, ocho electrones en la segunda órbita, dieciocho electrones en la tercera
órbita, y cuatro electrones en la quinta y última órbita.
El semiconductor más común es el silicio o sílice. Tiene 14 protones y 14
electrones. Como se muestra en la Fig. 12.4, dos electrones en la primera
órbita, ocho en la segunda, y los restantes cuatro en la órbita exterior.
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Capítulo 12 Diodos
No importa si se trata de silicio o de germanio, la cantidad de electrones es
igual a la cantidad de protones; por lo tanto, el átomo es neutro. Esto significa
que no existe carga adicional en el átomo. Si se pierde un electrón de valencia,
entonces la cantidad de electrones será menor que la cantidad de protones y
se convierte en un ión positivo, con una carga positiva.
Fig. 12.3- Átomo de germanio
Fig. 12.4 – Átomo de silicio
Electrón de
valencia
compartido
(a) El enlace covalente se forma al
Compartir un electrón de valencia
(b) Diagrama de enlaces covalentes
Fig. 12.5 – Enlaces covalentes en átomos de Si
Cuando los átomos de silicio se conectan entre sí como material sólido, se
convierten en una estructura cristalina, y la conexión la forman los enlaces
covalentes. Estas fuerzas de unión son establecidas por electrones de valencia
de cada átomo. El silicio o sílice se asemeja a un trozo de material cristalino.
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Capítulo 12 Diodos
En la Fig. 12.5, cada átomo de silicio tiene cuatro átomos similares que lo
rodean. Los átomos adyacentes de silicio comparten los electrones de valencia
de los demás. Por lo tanto, se tienen ocho electrones de valencia para cada
átomo, lo que hace que el átomo de silicio adquiera un estado de estable.
Fuerzas iguales de los átomos adyacentes atraerán a estos electrones
compartidos, y por lo tanto, se forman los lazos covalentes entre estos
electrones de valencia y los átomos. Los lazos covalentes que existen en el
cristal intrínseco de silicio se muestran en la Fig. 12.6. El germanio tiene
también cuatro electrones de valencia, por lo tanto tenemos la misma situación
de enlace que con el silicio.
Fig. 12.6 – Enlaces covalentes en cristales intrínsecos de silicio
A temperatura ambiente, el silicio obtiene energía del ambiente mismo. El
electrón de valencia que tenga suficiente energía escapará del enlace con el
núcleo y se convierte en un electrón libre, como se muestra en la Fig. 12.7.
Electrón libre
Energía térmica
Agujero
Fig. 12.7 – Generación de un electrón libre
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Cuando el electrón escapa de su posición original y se convierte en un electrón
libre, dejará un espacio vacío en la covalencia. Este espacio vacío se llama
“agujero”, y por lo tanto, cuando el electrón de valencia adquiere fuerza
externa, tal como la que proviene de la luz, calor, o potencia eléctrica, se excita
y se escapa de la órbita. Este electrón de valencia se convierte en un electrón
libre. De manera igual, se generará un agujero, y una vez que el electrón libre
pierde la energía, se combina con el agujero y de nuevo se convierte en un
electrón de valencia. Por lo general se forman pares de electrones – agujeros,
excepto a temperaturas de cero absoluto.
Sin embargo, se debe tomar notar que la cantidad de electrones y agujeros en
el trozo de silicio es la misma a temperatura ambiente y por lo tanto no posee
ninguna carga.
El germanio es muy parecido al silicio, excepto que tiene una conductividad
más alta puesto que tiene una mayor cantidad de electrones libres. Tiene una
mayor cantidad de aplicaciones, siendo una de las razones que se puede usar
bajo condiciones de alta temperatura.
En la Fig. 12.8, se le aplica un potencial (polarizado) para liberar los electrones
y que sean atraídos hacia el terminal positivo. Este movimiento causado por el
flujo de electrones libres inducirá una corriente en el semiconductor, llamada
“flujo de electrones”.
Se tiene también otra corriente inducida por los agujeros en el nivel de
valencia. Los agujeros en esta órbita todavía están atados a los átomos del
cristal, por lo que no se pueden mover libremente. Sin embargo, un electrón
puede “dejarse caer” a un agujero en su vecindad y dejar un agujero en su sitio
original. Da la apariencia que el agujero se ha movido de su posición, como se
puede ver en la Fig. 12.9. A esto se le llama “flujo de agujeros”.
Fig. 12.8 – Flujo de corriente inducida por el movimiento de los electrones libres
(excitados por calor), moviéndose en el material intrínseco.
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Electrón de valencia
Agujero
Agujero
Fig. 12.9 – Flujo de agujeros en la masa de silicio
12.1.3
Semiconductores Tipo n y Tipo p
En la banda de conducción no existen suficientes electrones libres ni
suficientes agujeros en la banda de valencia de un trozo intrínseco de silicio.
Por lo tanto, el material de silicio (o de germanio) es generalmente
contaminado con electrones libres y agujeros para mejorar su conductividad y
que sean útiles para efectos eléctricos. Si se puede controlar adecuadamente
la concentración de impurezas, entonces se puede controlar la conductividad.
El procedimiento de “contaminación” (dopaje) le suministrará corriente a los
conductores (electrones y agujeros), de tal forma que se reduce la resistencia
en la sustancia y se mejora su conductividad. Estos materiales se pueden
dividir en materiales tipo n y tipo p, dependiendo de las impurezas en el
semiconductor.
12.3.1
Semiconductores Tipo n
Al contaminar el silicio puro con materiales impuros que tengan cinco
electrones de valencia se aumentará la cantidad de electrones en la banda de
conducción. Estas impurezas pueden ser de arsénico, fósforo y antimonio, que
tienen todos cinco electrones de valencia.
En la Fig. 12.10, cada átomo (en la figura se trata de antimonio – Sb) con cinco
electrones de valencia, forma enlaces covalentes con cuatro átomos vecinos de
silicio. Cuatro electrones de valencia del antimonio se utilizan en los enlaces
covalentes, y el electrón que sobra no está atado a ningún átomo. Este se
puede considerar como un electrón libre. La cantidad de estos electrones libres
se puede controlar agregando la cantidad adecuada de impurezas. Los
electrones libres donados por el material impuro no dejan agujeros en los
átomos.
Capítulo 12 Diodos
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Los principales portadores de corriente son los electrones, por lo que llamamos
a este tipo de semiconductor como tipo n. La letra n implica que se trata de
electrones con carga negativa. En los semiconductores de tipo n, los electrones
entonces son los principales portadores. A pesar de ello, todavía se genera una
cantidad de agujeros por ionización térmica, y no son producidos por elementos
con cinco electrones de valencia. Estos agujeros en los materiales de tipo n se
llaman portadores minoritarios.
Electrón libre (conductor)
Fig. 12.10 – Átomo impuro con 5 electrones de valencia en cristal de
silicio. En el centro hay un átomo de antimonio. El electrón sobrante es un
electrón libre.
12.3.2
Semiconductor Tipo p
Agujero
Fig. 12.10 – Átomo impuro con tres electrones de valencia en cristal de silicio.
En el centro hay un átomo de boro.
Al dopar el silicio puro con materiales impuros con tres electrones de valencia,
se aumentan los agujeros en el silicio. Estas impurezas son tales como el
aluminio, boro, y galio, con tres electrones de valencia.
En la Fig. 12.11, cada átomo con tres electrones de valencia tratará de formar
enlaces covalentes con cuatro átomos vecinos de silicio. Sin embargo,
solamente hay tres electrones de valencia en el átomo de boro que se pueden
usar en los enlaces covalentes, y se requiere un electrón libre adicional. Por lo
tanto, se forma un agujero debido a la carencia de electrones libres. La
cantidad de agujeros se puede controlar agregando una cantidad adecuada de
impurezas.
Capítulo 12 Diodos
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Los principales portadores de corriente son los agujeros, por lo que llamamos a
este tipo de semiconductor como tipo p. La letra p implica que se trata de
agujeros con carga positiva.. A pesar de ello, todavía se genera una cantidad
de electrones por ionización térmica, y no son producidos por elementos con
tres electrones de valencia. Estos electrones en los materiales de tipo p se
llaman portadores minoritarios.
12.4
Unión p-n Bajo Condición de no bias
12.4.1
Unión p-n
En la Fig. 12.12 se muestra un cristal de silicio. Una mitad está dopada como
tipo n y la otra como tipo p. Por lo tanto se forma una unión p-n. Esta es la
construcción básica de un diodo. Existen muchos electrones (portadores
mayoritarios) y pocos agujeros (portadores minoritarios) inducidos por la
ionización térmica en la región de tipo n. Hay muchos agujeros (portadores
mayoritarios) y muy pocos electrones (portadores minoritarios) inducidos por
ionización térmica en la región tipo p, como se muestra en la Fig. 12.12. La
unión p-n no es solamente la estructura básica de un diodo, sino que también
es la estructura principal de los transistores y otros tipos de dispositivos de
estado sólido.
Unión p-n
Tipo
p
Portador principal:
electrón; minoritario:
agujero
Portador principal:
agujero; minoritario:
electrón
Tipo
n
Agujero
Electrón
Fig. 12.12 – Estructura p-n en el momento de contacto.
12.4.2
Región de Agotamiento
Si no existe polarización externa, los electrones en el material tipo n se
desviarán sin control. En el momento de contacto, hay algunos electrones
cerca de la unión que se difundirán dentro del material tipo p y se combinarán
con los agujeros cerca de la unión.
Cuando los electrones se mueven a lo largo de la unión y se combinan con los
electrones, los átomos con electrones de valencia cinco cerca de la unión se
transformarán en iones positivos. A la vez, los átomos con electrones de
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Capítulo 12 Diodos
valencia tres cerca de la unión se convertirán en iones positivos debido a que
han obtenido un electrón adicional. En este tipo de fenómeno, si los electrones
en el material tipo n tienden a difundirse en la región de material tipo p, deberán
vencer la fuerza de atracción de los iones positivos y la fuerza de repulsión de
los iones negativos. Por lo tanto, una vez que las capas ionizadas se forman,
uno de los lados de la unión se convertirá en una región sin suficientes
electrones, y la otra más bien con suficientes electrones. Estas regiones
desprovistas de portadores se llaman regiones agotadas. El ancho de las
mismas aumentará hasta que los electrones ya no se mueven a través de la
unión p-n en equilibrio, como se muestra en la Fig. 12.13.
Iones negativos
Regiones
agotadas
Iones positivos
Fig. 12.13 – En estado de equilibrio, hay muy pocos electrones (puntos negros)
en la región p, y pocos agujeros (círculos) en la región n. Estos son portadores
minoritarios. Estas parejas de electrón-agujero se generan por ionización
térmica.
Los iones positivos y negativos formarán una barrera de tensión a través de las
regiones agotadas. A 25ºC, la barrera de tensión para el silicio es de 0.7 V, y
de 0.3 V para el germanio. Cuando aumenta la temperatura en la unión, se
disminuye la tensión de barrera, y viceversa. La tensión de barrera determinará
la tensión aplicada en los dos terminales para iniciar la conducción de corriente
en el diodo. Para más detalles, leer la siguiente sección.
12.5
Unión p-n Bajo Condición Polarizada
12.5.1
Polarización Directa
Bias (polarización) es la tensión constante aplicada en un semiconductor para
que funcione bajo ciertas condiciones. La polarización directa (hacia delante)
permite que la corriente pase a través de la unión p-n. En la Fig. 12.14, la
tensión directa se conecta en al diodo a manera de polarización directa. El
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Capítulo 12 Diodos
terminal negativo de la batería se conecta a la región de tipo n (cátodo), y el
positivo a la región p (ánodo).
Ánodo
Cátodo
Fig. 12.14 – Conexión con polarización directa. En este caso se usa una
resistencia para limitar la corriente y proteger el diodo.
La teoría básica de la polarización directa es la siguiente: El terminal negativo
de la batería repele a los electrones en la banda de conducción de tipo n, y el
terminal positivo repele a los huecos en la región p de la unión (similar a las
cargas diferentes que se repelen).
Cuando tratan de superar la tensión de barrera, la tensión externa suministrará
la energía suficiente para los electrones en la región n. Estos electrones
pasarán a través de la región agotada y de la unión para combinarse con los
agujeros de la región p. El terminal negativo de la batería repondrá los
electrones que se van de la región n. Por lo tanto, la corriente en la región n es
el resultado de que los electrones en la banda de conducción se muevan hacia
la unión. Una vez que los electrones ingresan a la región p y se combinan con
los agujeros, se convierten en electrones de valencia. Se mueven en la región
de agujeros uno por uno, hacia el terminal positivo de la batería. Los
electrones de valencia que se mueven dan la apariencia de que el agujero se
mueve en la dirección opuesta. Por lo tanto, la corriente en la región p es el
resultado de que los huecos se muevan hacia la unión. La Fig. 12.15 muestra a
un diodo bajo polarización directa.
Región agotada
Resistencia
para limitar la
corriente
Flujo de agujeros
Flujo de electrones
Fig. 12.15 – Flujo de electrones en la unión p-n de un diodo
12
Capítulo 12 Diodos
Nota: La tensión de barrera no es la tensión de la fuente, por lo que no es
posible medirla con un voltímetro. El diodo conducirá corriente solamente
cuando la tensión externa supera a la tensión de barrera, como se muestra en
la Fig. 12.16. La tensión de barrera es de 0.7V para un diodo de silicio y de
0.3V para uno de germanio. Una vez que la corriente de polarización pasa por
el diodo, la tensión en los dos terminales mantendrá la magnitud de la tensión
de barrera. La corriente directa (IF) cambiará ligeramente debido a la influencia
de la resistencia total del semiconductor.
No conducción
Conducción
Flujo de huecos Flujo de electrones
Fig. 12.16
12.5.2
Polarización Inversa
Polarización inversa es la resistencia al paso de la corriente por la unión p-n.
En la Fig. 12.17, la tensión directa se conecta al diodo a manera de
polarización inversa. El terminal negativo de la batería está conectado a la
región p, y el terminal positivo a la región n.
Ánodo
Cátodo
Fig. 12.17 – Conexión con polarización inversa
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Capítulo 12 Diodos
El principio básico de la polarización inversa es la siguiente: El terminal
negativo de la batería atrae a los huecos en la región p de la unión p-n. El
terminal positivo atrae a los electrones de la región n de la unión p-n. Conforme
los electrones y los agujeros dejan la unión p-n, la región agotada se hará más
ancha; habrá más iones positivos en la región n agotada y más iones negativos
en la región p.
(a) La corriente de transición fluye y la
región agotada se hace más ancha
(b) Cuando la tensión de barrera es igual a
la de polarización, la corriente no fluye.
Fig. 12.18 – Polarización Inversa
Cuando el diodo se conecta con polarización inversa, la zona agotada se
convierte en una capa aislada de iones positivos y negativos. Como se muestra
en la Fig. 12.19, la unión p-n muestra un efecto capacitivo. La región agotada
se hace más ancha debido a una mayor polarización inversa, la capacitancia es
menor y viceversa. Esta capacitancia interna se llama “capacitancia de
agotamiento”.
Región agotada ancha que
actúa como capa de aislamiento
Regiones de
iones.
Placas
polares
Fig. 12.19 – Región agotada que se aumenta debido al aumento de la
polarización inversa.
Se sabe que la mayor parte del flujo de portadores tendrá valor cero poco
después de aplicar la polarización inversa en el diodo. Sin embargo todavía
quedará una pequeña corriente fluyendo. La corriente inversa del germanio es
más alta que la del silicio. Esta última es del orden de los A o nA. En la región
agotada todavía quedan “pares electrón – hueco” generados por ionización
Capítulo 12 Diodos
14
térmica. Aunque en pequeña cantidad, todavía hay algunos electrones bajo la
polarización inversa en la unión p-n antes de combinarse con los agujeros. Este
proceso producirá los portadores minoritarios en los materiales.
Básicamente, la corriente inversa de fuga depende únicamente de la
temperatura en la unión, y es independiente de la magnitud de la polarización
inversa. A mayor temperatura la fuga será mayor.
Cuando la polarización inversa externa es lo suficientemente alta, sucede un
efecto de avalancha. Supóngase que tenemos un electrón en la banda de
conducción. Se acelerará hacia el terminal positivo del diodo una vez que
reciba suficiente energía del exterior. En la senda de movimiento, si este
electrón colisiona con el átomo y empuja el electrón de valencia fuera de la
banda de conducción, se tendrán dos electrones libres. Cada uno de ellos
chocará con un átomo y se tendrá un electrón libre, y por lo tanto, dos
electrones libres producirán cuatro. Utilizando el mismo mecanismo,
encontramos que habrá más electrones generados mediante colisiones. A este
efecto se le llama “efecto acumulado de avalancha”, y aumentará súbitamente
la corriente inversa.
La mayoría de los diodos no pueden funcionar en la región de avalancha
inversa, ya que se dañarían debido a la alta disipación de potencia. Sin
embargo, existe un diodo en particular – el diodo Zener, que trabaja en la
región de avalancha inversa. Este diodo en particular lo veremos en la Sección
12.8.
12.6
Símbolo, Aspecto y Medición de un Diodo.
Si la corriente en un dispositivo es proporcional a la tensión, y si la curva de i
vs. v es una línea recta en el plano de coordenadas planas, esto implica que el
dispositivo es lineal. Por ejemplo, el dibujo de la curva de corriente vs. tensión
de una resistencia es una línea recta. Esto significa que la resistencia es un
dispositivo lineal común.
Debido a la tensión de barrera en el diodo, éste posee una relación no lineal
entre la corriente y la tensión.
Fig. 12.20 – Símbolo del diodo rectificador.
El símbolo del diodo rectificador se muestra en la Fig. 12.20, donde el terminal
p es el ánodo y n el cátodo. La flecha va del terminal p hacia el n, o sea, del
ánodo al cátodo. Por lo tanto el flujo de corriente en el diodo se puede expresar
como una flecha que va de p hacia n. El flujo de electrones es de n hacia p.
Capítulo 12 Diodos
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En la Fig. 12.21 se muestran varios diodos comunes. La mayoría de ellos traen
impreso la dirección p-n. Algunos tienen barras o anillos en el terminal n.
(a) Diferentes tipos de diodos
(b) Identificación de los terminales de un diodo
Fig. 12.21 – Algunos diodos corrientes
La batería en un ohmímetro analógico puede proporcionarle al diodo
polarización directa o inversa. Esta función puede usarse fácilmente para
probar la polarización de la unión p-n. Algunos de los multímetros digitales
tienen también la función para probar diodos.
Para medir un diodo bajo condición directa, la punta positiva (negra) del
medidor se debe conectar al ánodo del diodo, y la punta negativa (roja) al
cátodo. El método se muestra en la Fig. 12.22(a). Cuando el diodo está bajo
polarización directa, su resistencia interna es muy baja, de unos 100 (o aún
más bajo). Si los cables del probador se invierten, como en la Fig. 12.22(b),
entonces la batería interna del medidor pondrá al diodo bajo polarización
inversa. Por lo tanto, el medidor mostrará una resistencia muy alta (idealmente
es infinita). Si el medidor muestra una resistencia baja en ambas direcciones,
esto implica que el diodo ya ha sido cortocircuitado. Por otro lado, si el medidor
muestra una resistencia muy alta en ambas direcciones, el diodo ya está bajo
circuito abierto. En caso de un medidor digital para la prueba de diodos, si éste
funciona, mostrará siempre la tensión directa del diodo, como se muestra en la
Fig. 12.22(c).
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Capítulo 12 Diodos
(a) Al usar un multímetro
de tipo analógico para probar
el diodo, mostrará resistencia
baja con polarización directa
(b) Bajo polarización inversa,
mostrará resistencia muy alta
bajo polarización inversa
(c) Usando un multímetro
digital para probar el diodo
mostrará el voltaje directo
del diodo bajo condición de
polarización directa (el voltaje directo es igual a la suma
del voltaje de barrera y de la
caída de tensión en la
resistencia.
12.7
Forma Aproximada de Expresar un Diodo
12.7.1
Diodo Ideal
Existen diversas formas aproximadas de expresar las características de un
diodo bajo diferentes condiciones.
De lo que hemos discutido con anterioridad, sabemos que el diodo será
conductor bajo polarización directa, pero no lo hará bajo polarización inversa.
Por lo tanto, el diodo ideal actúa como conductor (resistencia cero) bajo
polarización directa, y como aislador (resistencia infinita) bajo polarización
inversa.
Capítulo 12 Diodos
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En la Fig. 12.23 se muestra la corriente y la tensión para un diodo ideal. En
este dibujo se puede ver que las características de un diodo ideal son
resistencia cero bajo polarización directa y resistencia infinita bajo polarización
inversa. En realidad, no es posible fabricar un diodo ideal.
Diodo ideal
Polarización inversa
Polarización directa
(a) Curva de un diodo ideal
(b) Un diodo ideal actúa como interruptor
¿Qué tipo de dispositivo se puede considerar como diodo ideal? De manera
ideal, cuando el interruptor está cerrado (ON), la resistencia es cero. Cuando el
interruptor está abierto (OFF), la resistencia es infinita. Por lo tanto, el diodo
ideal se puede considerar como un interruptor. Cuando el diodo es conductor
(polaridad directa), funciona como si estuviera cerrado. Cuando no conduce
(polaridad inversa), actúa como si estuviera abierto. Los conceptos se
describen también en la Fig. 12.23(b).
Fig. 12.24 – Ejemplo
Ejemplo 12.1
Use el modelo de un diodo aproximadamente ideal para calcular la carga de
corriente, la carga de la tensión, la carga de la potencia, la potencia del diodo y
la potencia total en el circuito de la Fig. 12.24.
Capítulo 12 Diodos
18
Respuesta: La fuente de tensión coloca al diodo bajo condición de polarización
directa, por lo que se le puede considerar como un interruptor cerrado. El
circuito actúa como si la fuente de tensión de 10V estuviera conectada
directamente a la resistencia de 1 k. Por lo tanto, la Ley de Ohm determina la
corriente:
I = 10V / 1 k = 100 mA
Como el interruptor está cerrado, toda la tensión caerá en la resistencia de
carga, lo que permite que VL = 10V. En segundo lugar, del producto de VI
conocemos la potencia:
Fig. 12.24 – Ejemplo
La potencia total es igual a la suma de las potencias individuales:
12.7.2.
Segunda Aproximación
En la Fig. 12.25 se muestra una segunda aproximación del diodo V-I. Esta
figura muestra que la corriente de diodo existe únicamente cuando la tensión
es mayor de 0.7V, lo que significa que el diodo conduce bajo esta condición.
Por lo tanto, el potencial en el diodo es de 0.7V y es independiente de la
magnitud de la corriente.
La Fig. 12.25(b) muestra el circuito equivalente de la segunda aproximación.
Aquí, el diodo es considerado como un interruptor con un potencial de barrera
de 0.7 V. Si la fuente de tensión es de más de 0.7V, el interruptor se cierra y el
potencial en el diodo es de 0.7V. Esto sucede porque la tensión de barrera del
diodo es de 0.7V. No importa cuál sea la magnitud de la corriente, la caída de
tensión del diodo se mantiene constante en 0.7V.
Por otro lado, si la fuente de tensión es menor de los 0.7 V o tiene un valor
negativo, el interruptor de polaridad inversa actúa como un interruptor abierto, y
el diodo estará bajo un estado de circuito abierto.
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Capítulo 12 Diodos
(a) Curva del diodo para 2ª aproximación
(b) La 2ª aproximación hace que el
diodo funcione como un interruptor más
una batería
Fig. 12.25
Ejemplo 12.2. Use la segunda aproximación para calcular la carga de la
corriente, la carga de tensión, la potencia de la carga, la potencial del diodo y la
potencia total en el circuito de la Fig. 12.26.
Respuesta: Reemplace el diodo por un interruptor cerrado y una tensión de
barrera de 0.7 V. Por lo tanto, habrá dos fuentes de tensión en serie, con
direcciones opuestas. Hay que restar una de otra y luego usar la Ley de Ohm:
El potencial de la carga es:
Otra forma de calcular el potencial de carga: fuente de tensión – tens. del diodo
La potencia se obtiene mediante V x I
La potencia total es igual a la suma de las potencias individuales:
20
Capítulo 12 Diodos
Fig. 12.26 – Ejemplo 12.2
12.7.3.
Tercera Aproximación
La tercera aproximación consiste en considerar la resistencia interna r0 del
diodo. En la Fig. 12.27, se muestra el efecto de la r0 en el diodo. Una vez que el
diodo de silicio comienza a conducir, el potencial se aumentará linealmente o
proporcionalmente con la corriente. Entre mayor sea la corriente, más alta será
la tensión. El potencial IR de r0 debe ser sumado a la tensión total del diodo.
Tercera aproximación
Polarización
inversa
Polarización
directa
(a) Curva del diodo basada en la tercera
aproximación
(b) Circuito equivalente basado en la
tercera aproximación
Fig. 12.27
El circuito equivalente basado en la tercera aproximación se puede considerar
como un interruptor, una tensión de barrera de 0.7V y una resistencia r0
conectada en serie, como se ve en la Fig. 12.27(b). Cuando la tensión
suministrada es mayor que los 0.7V, el diodo comienza a conducir. El potencial
total en el diodo es:
Capítulo 12 Diodos
21
Ejemplo 12.3. Utilice la tercera aproximación para calcular la carga de
corriente, la carga de tensión, la potencia, la potencia del diodo y la potencia
total en el circuito de la Fig. 12.28. Nota la resistencia básica 1N4001 es de R b
= 0.23 -
Fig. 12.28 – Circuito en serie
Respuesta: El diodo puede considerarse como un interruptor cerrado (ON),
una tensión de barrera de 0.7V y una resistencia de 0.23 conectados en
serie. Se restan las tensiones opuestas y se suman las dos resistencias. Se
usa luego la Ley de Ohm:
En vista de que la resistencia interna de 0.23 es mucho más pequeña que
la carga de 1 k, se puede ignorar la resistencia interna. Por lo tanto el
resultado es muy parecido al de la segunda aproximación.
Existe solamente una pequeña diferencia en la potencia del diodo. La razón es
que la caída de tensión en la resistencia interna del diodo hará que el potencial
en el mismo sea ligeramente mayor.
12.8.
Diodos Especiales
Capítulo 12 Diodos
22
El diodo rectificador es uno de los diodos más comunes. Puede usarse en un
circuito rectificador para convertir tensión AC en tensión DC. En el siguiente
capítulo estudiaremos la teoría de operación de los mismos.
Existen tantos tipos de diodos como se quiera y sus funciones no se limitan
solamente a rectificación. Los que no son de rectificación los clasificamos como
de tipo especial, tales como diodos Zener, fotodiodos, diodos Schottky, y
diodos Varactor. Más tarde nos referiremos a ellos.
12.8.1.
Diodos Zener
El símbolo del diodo Zener se muestra en la Fig.12.29. Está hecho con material
de silicio con una unión p-n. La diferencia entre un diodo rectificador y un diodo
Zener es que este último trabaja en la región de disrupción inversa. La tensión
de disrupción de un diodo Zener depende de la concentración de impurezas,
las cuales deben ser muy bien controladas durante su fabricación. La
característica de este diodo es que la tensión permanece casi constante aún
cuando la corriente cambie súbitamente con la disrupción. Las características
de tensión y corriente se muestran en la Fig.12.30.
Polarización
directa
Polarización
inversa
Fig.12.29 – Símbolo de diodo
Zener
Fig.12.30 – Curva característica de
un diodo regular
12.8.1.1 Disrupción del Diodo Zener
Existen dos situaciones de disrupción en un diodo Zener: La disrupción por
avalancha y la disrupción Zener. Esta última sucede bajo condiciones de baja
polarización inversa. Al diodo se le agregan gran cantidad de impurezas para
bajar la tensión de disrupción. Esto hará que la región agotada se convierta en
un fuerte campo eléctrico y cuando la polarización inversa se aproxima a la
tensión de disrupción (Vz), el campo eléctrico será lo suficientemente fuerte
como para expulsar a los electrones hacia fuera y formar una corriente.
La tensión de disrupción de un diodo Zener es menos de 5V, y es inducida
principalmente por la ruptura. Si la tensión de ruptura es mayor de 5V,
23
Capítulo 12 Diodos
entonces la ruptura por avalancha se convertirá en un asunto serio. La ruptura
por avalancha generalmente sucede a tensiones de disrupción inversa.
Al principio habrá únicamente una pequeña cantidad de corriente inversa.
Cuando la tensión inversa aumenta permitirá que los conductores minoritarios
tengan energías suficientes y se muevan más rápido. Estos conductores
minoritarios colisionarán con los átomos y hará que los electrones de valencia
se vayan lejos de los átomos. Estos electrones de valencia se convierten en
electrones libres. A continuación, los conductores minoritarios originales y estos
electrones libres continuarán con su acción y producirán más electrones libres.
Por ejemplo, un electrón libre colisiona con un átomo y produce otro electrón
libre. Estos dos producirán a su vez otros dos electrones libres al colisionar con
sendos átomos por lo que ahora se tienen cuatro electrones libres. Estas
colisiones suceden en forma continua. Las tensiones de disrupción de los
diodos Zener comerciales están entre 1.8V y 200V.
12.8.1.2 Características de Disrupción
La Fig. 12.31 muestra la curva de características inversas del diodo Zener. La
corriente inversa (IR) es un valor pequeño antes de alcanzar el “codo” de la
curva. En este punto el diodo Zener comienza a mostrar disrupción, la
resistencia Zener (ZR) disminuye y la corriente aumenta muy rápido. A partir del
codo, la tensión de disrupción permanece casi constante, aumentando
solamente cuando hay un incremento de IZ. Esta es la principal característica
del diodo Zener, de ajustar la tensión. Puede mantener una tensión constante
entre los dos terminales dentro de una región particular de corriente inversa.
Para mantener funcionando un diodo Zener, debe suministrarse un mínimo de
corriente inversa IZX. De la curva de características, vemos que la corriente
inversa es más baja que el punto de inflexión (codo), la tensión ha cambiado en
forma obvia y el diodo perderá su función de ajuste. Existe también una
limitación en cuanto a la corriente máxima IZM; si la corriente es mayor que este
límite, el diodo se daña.
codo
Fig. 12.31 – Curva de características inversas de un diodo Zener. VZ (o VZT) es
la tensión en IZT.
24
Capítulo 12 Diodos
Por lo tanto, el potencial de terminal de un diodo Zener permanece constante
para la corriente inversa, desde IZK hasta IZM. En la hoja de datos, VZT es la
tensión inversa cuando la corriente inversa es IZT.
12.8.1.3. Circuito Zener Equivalente
La Fig. 12.32(a) muestra el diagrama aproximadamente ideal de un diodo
Zener en la región de disrupción inversa, donde el diodo se comporta como una
batería.
La Fig. 12.32(b) es el diagrama equivalente para el diodo Zener real, donde se
incluye la resistencia Zener RZ. La curva de tensión no es como las líneas
verticales ideales. Pequeños cambios en la corriente inversa cambiarán
ligeramente la tensión Zener, como se muestra en la Fig. 12.32(c). La relación
de VZ a IZ es la resistencia, y la ecuación es la siguiente:
(a) Ideal
(b) Real
Fig. 12.32 – Circuito equivalente de diodo Zener
En general, RZ se determina mediante la corriente inversa específica IZT ,
llamada “corriente Zener de prueba”. Por lo general, RZ es constante en la
región de corriente inversa.
Ejemplo 12.4 . Se tiene un diodo Zener con 2 mA de corriente, que cambia de
IZK a IZM en la región lineal, y el correspondiente cambio VZ es de 50 mV.
Determine la resistencia Zener.
Capítulo 12 Diodos
25
Respuesta: RZ = VZ / IZ = 50 mV / 2 mA = 25
Ejemplo: Un diodo Zener tiene 5  de resistencia. De la hoja de datos,
sabemos que IZT = 20 mA, VZT = 6.8 V, IZK = 1 mA, e IZM = 50 mA. ¿Cuál es la
tensión del diodo cuando la corriente es igual a 30 mA?. Determine también la
tensión del diodo cuando la corriente es de 10 mA.
Respuesta: En la Fig. 12.33 vemos el circuito equivalente de ese diodo.
Cuando IZ = 30 mA, está 10 mA más alto que cuando IZT = 20 mA.
IZ = +10 mA
VZ = IZ RZ = (10 mA) (5) = + 50 mV
Como la corriente es más alta que IZT, la tensión Zener se aumentará, por lo
tanto la tensión en IZ = 30 mA será:
VZ = 6.8 V + VZ = 6.8 V + 50 mV = 6.85 V
Cuando IZ = 10 mA, es 10 mA menos que con IZT = 20 mA
IZ = +10 mA
VZ = IZ RZ = (-10 mA) (5) = - 50 mV
Como la corriente es más baja que IZT, la tensión Zener se disminuirá, por lo
tanto la tensión en IZ = 10 mA será:
VZ = 6.8 V + VZ = 6.8 V - 50 mV = 6.75 V
Fig. 12.23
12.8.1.4. Estabilización de Tensión con Diodo Zener
El diodo Zener se usa corrientemente para rectificar la tensión. Cuando la
tensión de entrada se cambia (en el límite), el potencial en los dos terminales
del diodo Zener permanece constante. Sin embargo, VIN se cambia con IZ, y el
rango de entrada se limitará a las corrientes altas y bajas (IZK e IZM) del diodo.
Capítulo 12 Diodos
26
Por ejemplo, si el rango ajustable es de 4 ma a 40 mA para el diodo Zener de la
Fig. 12.34, entonces el potencial en la resistencia de 1 k para la corriente
mínima es de:
Como
Para la corriente mínima, el potencial en la resistencia de 1 k es:
Este ejemplo demuestra que la tensión de salida del diodo puede sostener
10V (hay un pequeño cambio debido a la resistencia Zener) cuando la
tensión de entrada está entre 14V y 50V.
Fig. 12.34
Ejemplo 12.6. Determine los límites superior e inferior de entrada en la Fig.
12.35(a). Suponga los parámetros que se suministran a continuación:
Fig. 12.35(a)
Capítulo 12 Diodos
27
Respuesta: La Fig. 12.35(b) representa el circuito equivalente de la Fig.
12.35(a). Cuando IZK = 1 mA, la tensión de salida es:
Por lo tanto:
Con
la tensión de salida es:
Por lo tanto:
Fig.12.35 (b) – Circuito Equivalente de la Fig.12.35 (a)
12.8.1.5 Limitación con Diodos Zener
En aplicaciones con AC, el diodo Zener se puede usar para limitar la amplitud
de la tensión. En la Fig.12.36 se muestran tres circuitos de limitación Zener. El
circuito de la Fig.12.36 (a) es para limitar el pico positivo de tensión como
tensión específica Zener. Para el medio ciclo, el diodo Zener actúa como un
diodo normal bajo polarización directa, limita la tensión negativa a –0.7V. Sí el
diodo Zener se invierte como se muestra en la Fig.12.36 (b), entonces el pico
de tensión negativa está limitado en forma de tensión de disrupción del diodo.
La tensión negativa está limitada a 0.7V. Sí se conectan dos diodos Zener en
serie y espalda contra espalda, entonces las tensiones pico negativa y positiva
están limitadas como tensiones Zener más 0.7V., como se muestra en la
Fig.12.36 (c). Durante el ciclo positivo D2 funciona como diodo Zener, y D1
Capítulo 12 Diodos
28
actúa como un diodo normal bajo polarización directa. Los papeles se cambian
durante el ciclo negativo.
Fig.12.36 – Efecto limitador de diodo Zener en tensiones de onda senoidal
Ejemplo 12.7. Determine la tensión de salida de cada diodo Zener en la
Fig.12.37
Fig.12.37
Respuesta: Las salidas son tal como se muestra en la Fig.12.38. Nótese que
cuando uno de los diodos Zener está en disrupción, el otro debe estar bajo
condición de polarización directa, y la tensión del terminal es de 0.7V.
29
Capítulo 12 Diodos
Fig.12.38
12.8.2
Diodo Varactor
Básicamente, el diodo Varactor es una unión p-n bajo polarización inversa. Se
aplica la polarización inversa en la unión p-n, y luego ambos lados de la región
de disrupción se convierten en las uniones de un capacitor. La región de
disrupción inducida por la polarización inversa se convierte en el dieléctrico del
capacitor debido a sus características de no conducción. Las regiones de tipo p
y de tipo n se convierten en las placas del capacitor, como se muestra en la
Fig.12.39.
Región de disrupción
placa /diel/plac
Fig.12.39 – Un diodo Varactor bajo polarización inversa se puede convertir en
un capacitor variable
Cuando la polarización inversa aumenta, la zona de disrupción se hace más
ancha. Por lo tanto el dieléctrico lo hará también. Esto disminuye la
capacitancia. Sí la polarización inversa disminuye, la región de disrupción se
hace más angosta y la capacitancia aumenta. Por lo tanto, la capacitancia de
un diodo Varactor es inversamente proporcional a la polarización inversa, como
se muestra en las Fig. 12.40 (a) y (b). La curva de capacitancia vs. tensón es
tal como se muestra en la Fig.12.40 (c).
30
Capítulo 12 Diodos
(a) VR aumenta,
capacitancia disminuye
(b) VR disminuye,
capacitancia aumenta
(c) Capacitancia vs.
tensión inversa
Fig.12.40 Capacitancia del Varactor depende de la tensión inversa
La capacitancia la determina el área de la placa A, la constante dieléctrica
, y el ancho del dieléctrico, según la fórmula:
La capacitancia del diodo Varactor se controla mediante la concentración de
dopaje, y el tamaño y forma del diodo mismo. La capacitancia del diodo puede
ir desde pF hasta cientos de pF.
La Fig.12.41(a) a continuación es el símbolo de un diodo Varactor y la
Fig.12.41(b) es el circuito equivalente donde Rs es la resistencia en serie
inversa, y Cv es el capacitor variable.
(a) símbolo
(b) circuito equivalente
Fig.12.41 – Diodo Varactor
El propósito principal de un diodo Varactor reside en los circuitos de
modulación. Por ejemplo, todos los moduladores de equipos de televisión y
radio utilizan diodos varactores.
31
Capítulo 12 Diodos
En circuitos de modulación el diodo Varactor se puede usar como capacitor
variable. La frecuencia modulada se puede ajustar por medio de la tensión
variable. En la Fig.12.42, dos diodos Varactor constituyen los capacitores
variables del circuito paralelo resonante.
La tensión variable DC puede controlar la polarización inversa del diodo, lo cuál
significa que también pude controlar su capacitancia. La frecuencia resonante
del circuito es:
Esta aproximación puede usarse cuando Q  10.
Fig.12.42 – Diodos Varactor en circuito resonante
Ejemplo 12.8. El rango de capacitancia de un varactor es desde 5 pF hasta
50pF. Este diodo se puede usar en el circuito resonante de la Fig.12.42.
Cuando L = 10 mH, determine el rango de resonancia.
Respuesta: El circuito equivalente es como se muestra en la Fig.12.43.
Nota: Los diodos varactor se conectan en serie. La capacitancia total mínima
es:
Por lo tanto, la frecuencia máxima de resonancia es:
La capacitancia total máxima es:
32
Capítulo 12 Diodos
La frecuencia mínima de resonancia es:
Fig.12.43
12.8.3
Diodo Emisor de Luz (LED)
La operación básica de un LED es como sigue: cuando el dispositivo está bajo
polarización directa, los electrones de la región n se mueven a través de la
unión p-n y se combinan con los agujeros de la región p. En vista de que el
electrón libre en la banda de conducción tiene un nivel más alto de energía que
el agujero en la banda de valencia, cuando se recombinan, el electrón cede su
energía, ya sea en forma de calor o de luz. En superficies expuestas de mayor
tamaño en el semiconductor, los fotones se ven como luz visible. En la
Fig12.44, este proceso se conoce como Luminiscencia Electrónica.
Energía Lumínica
Fig.12.44 – Teoría de emisión de luz de un LED y su símbolo
33
Capítulo 12 Diodos
Fig.12.44 – Aspecto de diodos LED
La Fig.12.44(a) muestra a un LED bajo corriente directa, donde R es la
corriente límite. La potencia lumínica es proporcional a la magnitud de la
corriente, como se muestra en la Fig.12.45(b).
(a) Operación directa
(b) Característica de luz vs. corriente directa
Fig.12.45 – Operación de un LED
En general la caída de tensión de un LED en funcionamiento es de unos
cuantos voltios. Por ejemplo, el TIL222 es un LED de color verde donde la
caída mínima de tensión es de 1.8V y la caída máxima de 3V. La magnitud de
la resistencia para limitar la corriente se determina por la luminiscencia (es
decir, la magnitud de la polarización directa). Generalmente, es de unos cientos
de ohmios. En la Fig.12.45(a), E=5V la caída de tensión del LED es de 1.7V, iF
debe ser de unos 20 mA. La resistencia R = (5 -1.7)V / 20mA=165 .
Un LED generalmente se usa para mostrar situación de encendido y en
pantallas digitales. Se usa ampliamente en instrumentos, productos de
consumo y aplicaciones científicas. Estos LEDs generalmente se usan en
pantallas con puntos decimales. La principal aplicación de los LEDs infrarrojos
es en los acoplamientos por luz, utilizando generalmente fibras.
34
Capítulo 12 Diodos
12.8.4
Fotodiodos
Un fotodiodo es un dispositivo de unión p-n trabajando con polarización
inversa, cuyo símbolo se muestra en la Fig.12.46(a). I es la corriente inversa.
En el fotodiodo se dispone de una pequeña ventana transparente para dejar
pasa la luz a la unión p-n. El símbolo se muestra en la Fig.12.46(b)
(a) Polarización inversa
(b) Otro símbolo
Fig.12.46 – Fotodiodo
Recuérdese que siempre habrá una pequeña corriente de fuga en el diodo
rectificador bajo polarización inversa, y el fotodiodo tiene esa misma
característica. En el diodo rectificador, la corriente inversa se incrementará
cuando la temperatura también aumenta. La razón es que existen más pares
de huecos – electrones inducidos a alta temperatura.
Sin embargo, el fotodiodo es un tanto diferente del diodo rectificador. Casi
puede ignorarse la corriente I, que corrientemente se le llama corriente oscura.
Si se incrementa la intensidad de la luz (luminiscencia por unidad de área –
lm/m2), entonces la corriente inversa se aumenta en la forma en que se
muestra en la Fig.12.47(a). La Fig.12.47(b) muestra la curva característica de
un fotodiodo bajo polarización inversa.
A partir de la curva característica en la Fig.12.47(b), sabemos que la corriente
oscura para un dispositivo es de 25 A bajo una polarización inversa de 3V.
Por lo tanto la resistencia del dispositivo bajo condición no polarizada es:
Para una condición de polarización inversa con 3V y una luminiscencia de
25000 lm / m2 es de unos 375 A. La resistencia bajo estas condiciones será
de:
35
Capítulo 12 Diodos
A partir de este cálculo sabemos que un fotodiodo se puede considerar
como una resistencia variable controlada por la luminiscencia.
(a) Luminiscencia vs. corriente
Corriente
oscura
Corriente inversa
(b) Corriente Inversa
Fig. 12.47 – Características de un fotodiodo típico
La Fig. 12.48 explica que en un fotodiodo no existe corriente inversa bajo
condiciones nulas de luz. Cuando la luz brilla sobre el fotodiodo, la corriente
inversa es proporcional a la luminiscencia.
36
Capítulo 12 Diodos
Luz apagada
(a) No hay luz, no hay corriente
Luz encendida
(b) cuando hay luz la resistencia
disminuye y hay corriente inversa
Fig. 12.48 – Operación de un fotodiodo
12.8.5
Diodos Schottky
Los diodos Schottky se usan en alta frecuencia y en circuitos de conmutación
de alta velocidad. También se llaman diodos de difusión en caliente. El símbolo
se muestra en la Fig. 12.49.
Unión silicio - metal
(a) Símbolo
(b) Estructura interna de un diodo Schottky
Fig. 12.49
El diodo Schottky se fabrica conectando un semiconductor dopado (
generalmente es del tipo n) con un metal (oro, plata o platino). Por lo tanto, la
unión no es del tipo p-n. La Fig. 12.49(b) muestra la forma de la unión metal
semiconductor.
En el diodo Schottky existen solamente portadores mayoritarios, y no hay
minoritarios. En la bande de conducción existen muchos electrones pero
solamente unos pocos están dopados en el semiconductor de tipo n. Una vez
que se aplica la tensión directa al diodo, los electrones en el material tipo n se
moverán hacia la región metálica y dejarán escapar inmediatamente un tanto
de energía. El diodo Schottky es diferente de un diodo tradicional, ya que no
hay portadores minoritarios, y por lo tanto puede dar una respuesta muy rápida
bajo tensión. Es lo que se puede llamar un diodo conmutador de alta velocidad.
Por lo tanto, se puede usar en rectificación de señales de alta frecuencia, así
como en circuitos digitales para reducir el tiempo de conmutación.
37
Capítulo 12 Diodos
12.8.6
Diodos Túnel
El diodo túnel tiene características de “resistencia negativa”, la cual es
importante en la amplificación de microondas de osciladores. La Fig. 12.50
muestra los símbolos de los diversos diodos túnel.
Región de resistencia
negativa
Región de
tensión normal
(a) Símbolos para el diodo túnel
(b) características del diodo túnel
Fig. 12.50 – Características y símbolo del diodo túnel
Los diodos túnel se fabrican de germanio o de arseniuro de galio. En ese diodo
se tienen concentraciones más altas en las regiones n y p que en los diodos
corrientes. Como una alta concentración hace más angosta la región agotada,
esto hará que el diodo sea conductivo bajo polarización inversa, sin producir el
efecto de disrupción, como se muestra en la Fig. 12.50(b).
Siendo la región de agotamiento más angosta, los electrones en esta región
tendrán que pasar a manera de túnel hacia la unión p-n mediante polarización
directa baja, actuando como conductor, según se muestra en la los puntos de A
a B en la curva.
Una vez en el punto B, la tensión directa generará el efecto de barrera y por lo
tanto la corriente disminuirá cuando la polarización se aumenta. Esta región es
la región de resistencia negativa.
38
Capítulo 12 Diodos
El efecto es opuesto a lo que indica la Ley de Ohm: la tensión aumenta, y la
corriente también. Una vez alcanzado el punto C, actúa como un diodo normal.
Un circuito resonante en paralelo se puede expresar mediante un capacitor, un
inductor y una resistencia en paralelo. En la Fig. 12.51(a) , R p es la resistencia
equivalente en paralelo. Una vez que el circuito produce resonancia, generará
una onda senoidal atenuada, como se muestra en la Fig. 12.51(b). Esta
condición de atenuación es causada por la resistencia en el circuito resonante
debido a que debe haber disipación de potencia cuando la corriente fluye a
través de la resistencia. Esto se opone o se resiste a la oscilación continua.
Si el diodo túnel se conecta en serie con el circuito resonante, y se mantiene la
polarización en la región de resistencia negativa, como se muestra en la Fig.
12.52, entonces la oscilación se mantendrá en la salida (onda senoidal
constante). La razón es que el efecto de resistencia negativa cancelará la
resistencia positiva del circuito resonante.
Circuito
resonante
Punto
de bias
Fig. 12.52 – Oscilador de diodo túnel
12.8.7
Diodo Láser
La luz de láser es monocromática. Esto significa que contiene un color único y
ninguno otro dentro de la luz. La luz de láser también se llama luz coherente
39
Capítulo 12 Diodos
porque tiene una única onda, o un rango de longitud de onda muy reducido. Es
diferente de la luz no coherente, con un amplio espectro de longitud de onda.
La luz del diodo láser es luz monocromática, pero la luz de un LCD (pantalla de
cristal líquido) es no monocromática. La Fig. 12.52(a) muestra la estructura
básica del diodo láser. La unión p-n la forman dos capas de arseniuro de galio
dopado (contaminado), y el tamaño de la unión p-n afectará la longitud de onda
de la luz emitida. Uno de los lados de la unión es una superficie altamente
reflectiva, y el otro lado es parcialmente reflectiva. En el exterior se encuentran
pines del ánodo y el cátodo.
Superficie
altamente
reflectiva
Unión
p-n
Lado
parcialmente
reflectivo
Superficie
altamente
reflectiva
Lado
parcialmente
reflectivo
Región
agotada
Fig. 12.53 – Estructura básica y operación del diodo láser
La operación básica es la siguiente: Se aplica una polarización directa a la
unión p-n, lo que hace que pasen electrones a través de la unión, y que haya
una recombinación en la región agotada. Este proceso es igual que en un diodo
normal. Cuando un electrón cae dentro de un agujero, se induce la
recombinación y se libera un fotón. Este fotón liberado colisiona con un átomo y
produce otro fotón. Toda esta acción aumenta la corriente directa. Habrá más
electrones ingresando a la región agotada, liberando más fotones. Estos se
diseminan al azar en la región agotada, y algunos de ellos colisionan en forma
directa con la superficie reflectiva. Finalmente, cuando hay suficientes fotones,
se forma un fuerte haz de luz láser, inyectados de la superficie parcialmente
reflectiva de la unión p-n.
Los fotones generados mediante este procedimiento tienen la misma energía,
la misma relación de fasor y frecuencia. Por lo tanto, la luz del diodo láser es de
una única longitud de onda. Existe un valor crítico de corriente para este diodo.
Cuando la corriente es más baja que este valor, el diodo láser actúa como un
LED normal, siendo la luz que emite no coherente.
Los diodos láser y los fotodiodos generalmente se usan en sistemas de lectura
de señales de equipos CD (disco compacto). La señal de audio se almacena en
Capítulo 12 Diodos
40
el CD en forma digital. La luz del diodo láser puede enfocarse mediante una
lente y luego dirigirla hacia la superficie del disco compacto. Cuando el disco
rota, la lente y el haz de láser se activan y la señal almacenada cambia debido
a los “baches y partes “planas” en la superficie. La señal reflejada por la pista
del disco se proyecta a través de la lente en el diodo infrarrojo, y luego la señal
se recupera en forma de señales digitales de audio por el fotodiodo.
12.9
Hoja de Datos de Diodos
La mayoría de los fabricantes de diodos suministran la información de sus
productos en una hoja de datos, como referencia para su aplicación. Una
especificación típica debe incluir el valor máximo, características eléctricas,
características mecánicas y parámetros variables. En esta sección vamos a
tomar un ejemplo para explicar la Hoja de Datos.
En la Tabla 12.1, se tiene una lista de las capacidades máximas de una serie
de diodos rectificadores (IN4001 – IN4007). Estos son valores máximos
seguros. Una vez que la corriente sobrepase estos valores, el diodo se daña.
Con el fin de mejorar la confiabilidad y la vida del diodo, éste siempre opera por
debajo del valor máximo especificado. Este valor máximo por lo general se
base en la operación a 25 º C. Una temperatura más alta podría disminuir su
valor especificado.
La explicación de la Tabla 12.1 es la siguiente:
VRRM
Tensión inversa de pico máxima constante en el diodo. Bajo esta
situación, N4001 es 50V e IN4007 es 1000V. Es igual al valor
PIV.
VRSM
Tensión inversa de pico máxima discontinua en el diodo.
IO
Corriente directa máxima promedio para rectificador de 60 Hz de
onda completa.
IFSM
Corriente directa máxima no repetible (1 ciclo). La Fig. 12.54
muestra los valores de corriente no repetible que exceden en más
de 1 ciclo para 25 y 175 grados Centígrados. Las líneas a puntos
implican los valores de falla de los dispositivos. Nota: en la línea
continua inferior, el valor de la corriente para diez ciclos es de 15
A, pero la misma para 1 ciclo es de 30 A.
Capítulo 12 Diodos
41
Tabla 12.1
Valor
Símbolo IN4001 IN4002 IN4003 IN4004 IN4005 IN4006 IN4007 Unidad
VRRM
Valor de pico inverso
50
100 200 400 600 800 1000
V
continuo máximo
VRMS
Valor de pico inverso
60
120 240 480 720 1000 1200
V
discontinuo máximo
Valor del efecto de tensión VR(rms) 35
70
140 280 420 560 700
V
inversa
I0
Corriente directa promedio
A
(60 Hz, TA = 75 ºC)
IFSM
Corriente directa máxima
30
A
de pico no repetible
Tj
Rango de temperatura de
- 65 +175
ºC
operación en la unión
Corriente de pico directa máxima no repetible para descarga
Corriente de pico no repetible según diseño
Corriente de pico directa máxima no repetible para carga
específica
Corriente de pico no repetible según diseño
Fig. 12.54 – Corriente directa de pico máximo no repetible
Capítulo 12 Diodos
12.10
42
Resumen
1. Según el modelo tradicional del Átomo de Bohr, los electrones se
asemejan a planetas moviéndose alrededor de un núcleo en diferentes
órbitas.
2. El núcleo está compuesto de protones y neutrones. Los protones tienen
carga positiva y los neutrones no poseen carga. La cantidad de protones
y neutrones depende del peso atómico.
3. Los electrones tienen carga negativa y se mueven alrededor del núcleo
en diferentes órbitas. La distancia del electrón al núcleo depende de su
nivel de energía. Las órbitas de los electrones en el átomo son bandas
discontinuas de energía. Se llaman “capas”, y se denominan como K, L ,
M. Cada capa tiene una cantidad máxima permisible de electrones. Bajo
estado neutro, el átomo es neutro también debido a que tiene un número
igual de protones y de electrones.
4. La capa exterior del átomo se llama banda de valencia. Los electrones
en la banda de valencia la abandonarán si obtiene suficiente energía del
exterior.
5. El silicio y el germanio tienen cuatro electrones en sus bandas de
conducción. El silicio (sílice o silicón) es el material semiconductor más
corriente.
6. Un cristal es un material sólido compuesto de átomos que se unen entre
sí mediante uniones llamadas “enlaces covalentes”. En una estructura
cristalina, los electrones de valencia que abandonan su átomo original
se convierten en electrones de conducción o electrones libres. Poseen
más energía que los electrones en los lazos covalentes. Estos
electrones libres se mueven libremente dentro del material. Cuando los
electrones
abandonan los lazos covalentes y se convierten en
electrones libres, se formarán al mismo tiempo agujeros (huecos),
llamados parejas electrón – agujero. Estas parejas de electrón – hueco
se generan por ionización térmica debido a que los electrones ganan su
energía del exterior y rompen luego los lazos covalentes.
7. Los electrones libres pierden su energía y ocupan los agujeros. A esto
se le llama recombinación. Sin embargo, los pares electrón – hueco se
generan en cualquier momento debido a la ionización térmica. Por lo
tanto, en el material siempre habrá electrones libres.
8. Cuando se aplica una tensión a un semiconductor, los electrones libres
se generan por ionización térmica. Estos electrones se mueven todos
hacia una misma dirección y se convierten en una corriente. Esta
corriente es intrínseca al conductor.
9. Otra corriente es la de huecos. Los electrones de valencia llenan los
agujeros y generan nuevos huecos, que actúan como electrones
moviéndose en dirección opuesta.
10. Un conductor tiene una gran cantidad de electrones, por lo que es fácil
que la corriente transite. El aislador tiene solamente unos pocos
electrones, por lo tanto no puede conducir la corriente a temperatura
ambiente. La conductividad de un conductor intrínseco está entre la de
Capítulo 12 Diodos
43
un conductor y la de un aislador, por lo tanto, puede conducir pequeñas
cantidades de corriente.
11. Al agregar impurezas con electrones de valencia en un semiconductor,
se forma material de tipo n. Estas impurezas son átomos con cinco
electrones de valencia. Este proceso se llama dopaje o contaminación.
Al agregar impurezas con tres electrones de valencia a un
semiconductor se forma material de tipo p. Estas impurezas son átomos
con tres electrones de valencia.
12. Los portadores mayoritarios en un semiconductor de tipo n son
electrones. Se generan por dopaje. Los portadores minoritarios son
huecos causados por los pares electrón – hueco generados por
ionización térmica. Los portadores mayoritarios en un semiconductor de
tipo p son huecos. Se generan por dopaje. Los portadores minoritarios
son electrones causados por los pares electrón – hueco generados por
ionización térmica.
13. Un material tipo n con otro material tipo p puede formar una unión p-n.
La región cercana a la unión p-n se convierte en la región agotada. En
ella no hay portadores mayoritarios. La zona de agotamiento se forma
por ionización.
14. La corriente solamente conduce a través de la unión p-n bajo
polarización directa. Sin polarización o bajo polarización inversa, no hay
corriente. Bajo polarización inversa, existen solamente pequeñas
corrientes debido a los portadores minoritarios generados por ionización
térmica. Esta pequeña corriente por lo general se puede ignorar. Una
unión p-n simple puede formar un diodo semiconductor.
15. Un diodo puede conducir corriente bajo polarización directa y ser
resistivo a la corriente bajo polarización inversa.
16. La tensión de barrera para un diodo de silicio bajo polarización directa es
de 0.7V, y para el germanio es de 0.3V. Estos valores varían
ligeramente con la magnitud de la corriente directa.
17. Un diodo Zener funciona en la región de disrupción inversa.
18. Cuando VZ < 5V, la disrupción Zener es dominante. Cuando VZ > 5V,
domina la disrupción de avalancha.
19. En el rango de corriente Zener, la tensión en el diodo permanece
constante.
20. El diodo Zener se puede usar como rectificador de tensión y como
limitador del circuito.
21. La tensión de operación de un diodo Zener es de 1.8 v a 200V.
22. Bajo polarización inversa, el diodo varactor funciona como un capacitor
variable.
23. La capacitancia de un diodo varactor es inversamente proporcional a la
polarización inversa.
24. En un diodo Schottky se tiene una unión metal – semiconductor. Su
principal aplicación es en circuitos ON / OFF de mucha rapidez.
25. El diodo túnel se puede usar en circuitos resonantes.
26. Un LED emite luz bajo polarización directa.
27. Entre mayor sea la luminiscencia, el fotodiodo tendrá mayor corriente
inversa.
28. Cuando la corriente inversa excede el valor crítico, el diodo láser emite
luz monocromática (onda única).
Capítulo 12 Diodos
12.11
44
Problemas
1. El átomo está compuesto de:
(1) Un núcleo y un electrón
(2) Un núcleo y más de un electrón
(3) Protones, electrones y neutrones
(4) (1) y (2)
2. El número de electrones del átomo de silicio es:
(1) 8
(2) 2
(3) 4
(4) 14
3. El número de electrones del átomo de germanio es:
(1) 8
(2) 2
(3) 4
(4) 32
4. Electrón de valencia es:
(1) El que orbita más cerca del núcleo
(2) El que orbita más lejos del núcleo
(3) El que se mueve alrededor del átomo y tiene una órbita variable
(4) No pertenece a un átomo en particular.
5. Forma en que se produce un ión positivo:
(1) El electrón de valencia se escapa del átomo
(2) La cantidad de huecos es mayor que la cantidad de electrones
(3) Se combinan mediante enlaces dos átomos
(4) El átomo adquiere electrones de valencia adicionales.
6. El material semiconductor más común usado en electrónica es:
(1) Germanio
(2) Carbón
(3) Cobre
(4) Silicio
7. ¿Cómo se combinan los átomos en un semiconductor?
(1) Comparten el electrón de valencia
(2) Por la fuerza
(3) Mediante enlace covalente
(4) Todos los anteriores.
Capítulo 12 Diodos
45
8. Cada átomo de cristal de silicio tiene:
(1) Cuatro electrones de valencia
(2) Cuatro electrones de conducción
(3) Ocho electrones de valencia, cuatro individuales y cuatro compartidos.
(4) Ningún electrón de valencia; todos los electrones de valencia son
compartidos con otros átomos.
9. ¿De qué forma se induce la corriente en un semiconductor?
(1) Por un electrón solamente
(2) por un agujero solamente
(3) Por un ión negativo
(4) Por un electrón y un hueco.
10. En un semiconductor intrínseco:
(1) No hay electrón libre
(2) El electrón libre se genera por ionización térmica
(3) Hay sólo agujeros
(4) Existe la misma cantidad de electrones y agujeros.
11. Agregar impurezas a un semiconductor intrínseco se conoce como:
(1) Dopaje
(2) Recombinación
(3) Modificación de los átomos
(4) Ionización.
12. Al agregar tres electrones de impureza al silicio, éste se convierte en:
(1) Germanio
(2) Semiconductor tipo p
(3) Semiconductor tipo n
(4) Región de disrupción
13. ¿Cuál es el propósito de dopar con impurezas de cinco electrones de
valencia?
(1) Reducir la conductividad del silicio
(2) Aumentar la cantidad de huecos
(3) Aumentar la cantidad de electrones
(4) Producir portadores minoritarios.
14.¿Cuál es el portador mayoritario en un semiconductor de tipo n?
(1) Un agujero (hueco)
(2) Un electrón de valencia
(3) Un electrón de conducción
(4) Un protón
15. Los agujeros en el semiconductor de tipo n son:
(1) Portadores minoritarios generados por ionización térmica
(2) Portadores minoritarios producidos por dopaje
(3) Portadores mayoritarios generados por ionización térmica
(4) Portadores mayoritarios producidos por dopaje
Capítulo 12 Diodos
46
16. La región de disrupción contiene:
(1) Portadores minoritarios
(2) Iones
(3) Ningún portador mayoritario
(4) (1) y (2)
17. Bias (traducido como polarización) es:
(1) La relación entre portadores mayoritarios y minoritarios
(2) La magnitud de la corriente a través de la unión p-n
(3) Tensión directa externa para controlar el dispositivo.
(4) Todos los anteriores.
18. ¿Cómo se forma la un diodo de unión p-n bajo polarización directa?
(1) Se conecta el ánodo con el terminal positivo de la fuente externa de tensión,
y el cátodo con el terminal negativo.
(2) Se conecta el ánodo con el terminal positivo de la fuente externa de tensión,
y el cátodo con el terminal negativo.
(3) Se conecta el nodo p con el terminal positivo de la fuente externa de
tensión, y el nodo n con el terminal negativo.
(4) (1) y (2)
19. ¿Qué sucede cuando se tiene una unión p-n bajo polarización directa?
(1) Un flujo de huecos únicamente.
(2) Un flujo de electrones únicamente
(3) Una corriente de portadores mayoritarios únicamente
(4) Se genera una corriente por los huecos y los electrones
20. Aunque la polarización (bias) se resiste a la corriente:
(1) Siempre se tiene una corriente de portadores mayoritarios
(2) Se induce solamente una pequeña corriente por los portadores minoritarios
(3) Se tiene una corriente de avalancha.
21. En un diodo de silicio, la polarización:
(1) Debe ser mayor de 0.3 V
(2) Debe ser mayor de 0.7 V
(3) Depende la del ancho de la zona agotada
(4) Depende de la concentración de portadores mayoritarios
22. Un diodo Zener tiene una tensión Zener de 3.6 V y opera en
(1) Disrupción ajustable
(2) Disrupción Zener
(3) Polarización directa
(4) Disrupción por acumulación.
23. En un diodo Zener de 12V, cuando hay un cambio de corriente Zener de 10
mA produce un cambio de 0.1V en la tensión Zener. ¿Cuál es la resistencia
Zener de esta corriente?
(1) 1 
(2) 100 
Capítulo 12 Diodos
47
(3) 10 
(4) 0.1 
24. De acuerdo con las Hojas de Datos, un diodo Zener tiene IZT = 500 mA
cuando Vz = 10V. ¿Cuál es el valor de RZ?
(1) 50 
(2) 20 
(3) 10 
(4) Desconocido
25. En un diodo varactor:
(1) La capacitancia cambia con la polarización inversa
(2) La resistencia cambia con la polarización inversa
(3) La capacitancia cambia con la polarización directa
(4) Se tiene capacitancia constante dentro del rango de polarización inversa
26. Un LED:
(1) Emite luz bajo polarización inversa.
(2) Es sensible a la luz bajo polarización inversa
(3) Emite luz bajo polarización directa
(4) Funciona como una resistencia variable.
27. La resistencia interna de un fotodiodo:
(1) Aumenta con la luminiscencia bajo polarización inversa
(2) Disminuye con la luminiscencia bajo polarización inversa
(3) Aumenta con la luminiscencia bajo polarización directa
(4) Disminuye con la luminiscencia bajo polarización inversa
28. El diodo con características de resistencia negativa es:
(1) Un diodo Schottky
(2) Un diodo túnel
(3) Un diodo láser
(4) Un diodo portador de calor.
Capítulo 12 Diodos
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