1.2.2.2 Vi fija, RL variable. Debido al voltaje Vz, existe un rango específico de valores de resistencia y por tanto de corriente de carga, que asegurará que el zener se encuentre en el estado de encendido. Una resistencia de carga RL demasiado pequeña, ocasionará un voltaje VL a través de la resistencia de carga menor que Vz, y el zener estará en el estado de apagado.
Para determinar la resistencia mínima de carga, que encenderá el zener, simplemente se calcula el valor de RL que ocasionará un voltaje de carga VL=Vz. Resolviendo para RL tenemos:
Cualquier valor de resistencia de carga mayor que RLmin asegurará que el diodo zener se encuentre en el estado de conducción y que se pueda reemplazar por su fuente Vz equivalente. Si la RL es mínima, entonces la IL será máxima.
Una vez que el diodo se encuentra encendido, el voltaje a través de R permanece fijo en: E IR permanece fijo en:
La corriente a través del zener es: Iz=IR-IL
Dando como resultado un Iz mínimo cuando IL es un máximo y un IZ máximo cuando IL es un valor mínimo, dado que IR es constante. Dado que IZ está limitada a IZM, afectará el rango de RL y por tanto el de IL, sustituyendo IZM por IZ se establece la IL mínima como. La resistencia de carga máxima es:
Ejemplo: Para la red de la siguiente figura: a) Determine el rango de RL e IL que ocasionan que VRL se mantenga en 10V. b) Determine el valor nominal máximo de la potencia en watts del diodo.
1.3 DIODO SCHOTTKY O DE BARRERA.
Son dispositivos que tienen una caída de voltaje directa (VF) muy pequeña, del orden de 0,3V o menos. Operan a muy altas velocidades y se utilizan en fuentes de baja tensión, circuitos de alta frecuencia y sistemas digitales. Reciben también el nombre de diodos de recuperación rápida o de portadores calientes.
Cuando se realiza una ensambladura entre una terminal metálica y un material semiconductor, el contacto tiene típicamente, un comportamiento óhmico cualquiera, la resistencia del contacto gobierna la corriente. Cuando este contacto se hace entre un metal y una región semiconductora con la densidad del dopante relativamente baja, el efecto dominante es resistivo, comenzando a tener un efecto de rectificación. Un diodo Schottky, se forma colocando una película metálica en contacto directo con un semiconductor,
Según se muestra en la siguiente figura.
Construcción y símbolo de un diodo Schottky
El metal se deposita generalmente en un material tipo N, debido a una movilidad mas grande de los portadores en este tipo de material. La parte metálica será el ánodo y el semiconductor, el cátodo. En una material como el aluminio AL (3 electrones en la capa de valencia), los electrones del semiconductor tipo N migran hacia el metal, creando una región de transición en la ensambladura. Solamente los electrones (los portadores mayoritarios de ambos materiales) están moviéndose.
Su conmutación es mucho mas rápida que la de los diodos semiconductores normales. La región N tiene un dopaje relativamente alto, a fin de reducir la perdida de conducción, debido a ello, la tensión máxima soportable para este tipo de diodo esta alrededor de los 200V.
Curva característica del diodo Schottky
APLICACIONES: Fuentes de baja tensión. Circuitos de alta velocidad para computadoras. Circuitos integrados de la lógica o familia TTL. DESVENTAJAS: Tiene poca capacidad de conducción de corriente en directa (debido a ello no se usa comúnmente como rectificador). No acepta voltajes elevados de polarización en inversa (VRR).
1.4 DIODO VARACTOR
Es un diodo que siempre opera con polarización en inversa y se dopa para incrementar al máximo la capacitancia inherente de la región de empobrecimiento. La región de empobrecimiento actúa como el dieléctrico del capacitor debido a su característica no conductora. Las regiones p y n son conductoras y actúan como las placas de un capacitor, como se muestra en la figura 1.
Figura 1: El diodo varactor polarizado en inversa actúa como capacitor variable.
Operación Básica. En un capacitor, su capacitancia está determinada por: Conforme el voltaje de polarización se incrementa, la región de empobrecimiento se ensancha y la separación de las placas se incrementa, por lo que se reduce la capacitancia. Cuando el voltaje de polarización inversa se reduce, sucede el fenómeno contrario, tal como se muestra en las figuras 2 a) y 2 b)
Figura 2: la capacitancia de un diodo varactor varía con el voltaje en inversa.
En la figura 3, se muestra una grafica de la capacitancia del diodo (CT) contra el voltaje en inversa para un cierto varactor. Para este dispositivo particular, CT varía desde 30 pF hasta un poco menos de 4 pF conforme VR varía desde 1 V hasta 30 V.
Figura 3.
APLICACIÓN Una aplicación importante de los varactores se encuentra en circuitos de sintonización. Por ejemplo, los receptores de VHF, UHF y satelitales utilizan varactores. Éstos también se utilizan en comunicaciones celulares. Cuando se utilizan en un circuito resonante paralelo, como lo ilustra la figura 4, el varactor actúa como capacitor variable, permitiendo así que la frecuencia de resonancia sea ajustada por un nivel de voltaje variable.
La frecuencia de resonancia del circuito en paralelo es:
Figura 4: Filtro pasabanda resonante que utiliza un diodo varactor para ajustar la frecuencia de resonancia dentro de un intervalo especificado.
1.5 EL DIODO TUNEL. El diodo túnel exhibe una característica especial conocida como resistencia negativa. Esta característica lo hace útil en aplicaciones de osciladores y amplificadores de microondas; la figura 5 muestra los símbolos usados para este diodo.
Figura 5: Símbolos del diodo túnel.
Los diodos túnel se construyen con arseniuro de germanio o galio dopando las regiones p y n mucho más intensamente que en un diodo rectificador convencional. Este dopado excesivo produce una región de empobrecimiento extremadamente estrecha. El dopado excesivo permite conducción con todos los voltajes en inversa, de modo que no se presenta el efecto de ruptura como en el diodo rectificador convencional (ver figura 6).
Figura 6: Curva característica del diodo túnel.
Además, la región de empobrecimiento extremadamente estrecha permite que los electrones atraviesen la unión pn como si fuera un “túnel” con voltajes de polarización en directa muy bajos y el diodo actúa como conductor. La figura 6 muestra este fenómeno, entre los puntos A y B. En el punto B, el voltaje en directa comienza a desarrollar una barrera y la corriente comienza a disminuir conforme el voltaje en directa continúa incrementándose; ésta es la región de resistencia negativa.
Este efecto es opuesto al descrito en la ley de Ohm, donde un incremento del voltaje incrementa la corriente. En el punto C, el diodo comienza a actuar como un diodo convencional polarizado en directa. Aplicación: Circuitos Osciladores de alta frecuencia.
1.6 EL FOTODIODO.
El fotodiodo es un dispositivo que opera con polarización en inversa, como lo muestra la figura 7 a), donde I es la corriente luminosa en inversa. El fotodiodo tiene una pequeña ventana transparente que permite que la luz choque con la unión pn. Algunos fotodiodos típicos se muestran en la figura 7 (b); la figura 7 (c) muestra un símbolo alterno para un fotodiodo.
Figura 7: Fotodiodo
Cuando se polariza en inversa, un diodo rectificador tiene una corriente de fuga en inversa muy pequeña. Lo mismo se aplica a un fotodiodo: la corriente de polarización en inversa es producida por pares de electrón-hueco térmicamente generados en la región de empobrecimiento, los cuales son arrastrados a través de la unión pn por el campo eléctrico creado por el voltaje en inversa. En un diodo rectificador, la corriente de fuga en inversa se incrementa con la temperatura debido al incremento del número de pares de electrón-hueco.
Un fotodiodo difiere de un diodo rectificador en que cuando su unión pn se expone a la luz, la corriente en inversa se incrementa con la intensidad de la luz. Cuando no hay luz incidente, la corriente en inversa, I, es casi despreciable y se llama corriente oscura. Un incremento de la intensidad de luz, expresado como irradiancia (mW/cm2), produce un incremento de la corriente en inversa, como la gráfica de la figura 8 (a) lo muestra.
Figura 8: Características de un fotodiodo típico.
En la gráfica de la figura 8 (b) se ve que la corriente en inversa para este dispositivo particular es de aproximadamente 1.4 uA a un voltaje de polarización en inversa de 10 V con una irradiancia de 0.5 mW/cm2. Por consiguiente, la resistencia del dispositivo es:
Con 20 mW/cm2, la corriente es aproximadamente 55 mAcon VR 10 V. La resistencia en esta condición es:
Estos cálculos muestran que el fotodiodo puede ser utilizado como un dispositivo de resistencia variable controlado por la intensidad luminosa. La figura 9 ilustra que el fotodiodo en esencia no permite corriente en inversa (excepto con una corriente oscura muy pequeña) cuando no hay luz incidente. Cuando un rayo de luz choca con el fotodiodo, conduce una cantidad de corriente en inversa proporcional a la intensidad luminosa (irradiancia).
Figura 9: Operación de un fotodiodo.
1.7 EL DIODO EMISOR DE LUZ (LED). La operación básica del diodo emisor de luz (LED) es la que a continuación se describe. Cuando el dispositivo está polarizado en directa, los electrones atraviesan la unión pn desde el material tipo n y se recombina con huecos en el material tipo p. Recordemos que estos electrones libres están en la banda de conducción y a una energía más alta que los huecos en la banda de valencia. Cuando ocurre la recombinación, los electrones recombinantes liberan energía en la forma de fotones.
Una gran área expuesta en una capa del material semiconductor permite que los fotones sean emitidos como luz visible. Este proceso, llamado electroluminiscencia, se ilustra en la figura 10. Se agregan varias impurezas durante el proceso de dopado para establecer la longitud de onda de la luz emitida. La longitud de onda determina el color la luz visible. Algunos LED emiten fotones con longitudes onda más largas que no forman parte del espectro visible y localizados en la parte infrarroja (IR) del espectro.
Figura 10:Electroluminiscencia en un LED polarizado en directa.
Polarización de los LED: El voltaje de polarización en directa a través de un LED es considerablemente más grande que a través de un diodo de silicio. Típicamente, el VF máximo para LED varía entre 1.2 V y 4.4 V, según el material. La ruptura en inversa para un LED es mucho menor que para un diodo de rectificador de silicio (3 V a 10 V es típico). El LED emite luz en respuesta a una corriente suficiente con polarización en directa, como lo muestra la figura 11 (a).
Figura 11: Operación básica de un LED:
La cantidad de potencia de salida transformada en luz es directamente proporcional a la corriente en polarización en directa, como la figura 11 (b) lo ilustra. Un incremento de IF corresponden proporcionalmente a un incremento de la salida de luz.
Aplicaciones Se utilizan los LED estándar en lámparas indicadoras y pantallas para salidas de datos en una amplia variedad de instrumentos, que van desde aparatos electrodomésticos hasta aparatos científicos. Un tipo común de dispositivo de visualización que utiliza LED es la pantalla de siete segmentos. Combinaciones de estos segmentos forman los diez dígitos decimales como la figura 12 lo ilustra. Cada segmento de la pantalla es un LED. Mediante una selecta polarización en directa se pueden combinar los segmentos par formar cualquier dígito decimal y el puntodecimal.
Figura 12: Visualizador LED de 7 segementos.
Figura 13: Caídas de voltaje de acuerdo al color de luz que emite.