Diodos especiales

En los diodos especiales se manifiesta algún fenómeno externo que condiciona la actuación de la unión P-N.

Diodos Zener

Un diodo Zener es una función P-N construida para trabajar en la zona de ruptura. Actúan en polarizacion inversa y su funcionamiento se basa en el fenomeno denominado de avalancha.

Efecto de avalancha en la unión P-N

El efecto de avalancha tiene lugar cuando concurren en la unión P-N las dos condiciones siguientes:
– La zona de transición es ancha.
– El campo E en la unión es elevado.

En estas condiciones el fenómeno de avalancha se manifiesta como sigue:
A determinada tensión inversa puede originarse la inyección de un portador dentro de la zona de transición. Como quiera que el campo E en la unión es muy elevado, el portador móvil e- (electrón) se verá sometido a una fuerte aceleración, de tal forma que al chocar contra un átomo provocará la ionización del mismo.

Los electrones arrancados propagarán la ionización en cadena a lo largo del cristal semiconductor, debido a la amplitud de ZT y al elevado valor del campo eléctrico E.

En definitiva, el efecto avalancha consiste en la ionización en cadena de átomos neutros al ser impactados por portadores móviles (e-).

La tensión inversa a la que se origina el efecto avalancha se denomina tensión Zener (Vz) y coincide con la tensión de ruptura en polarización inversa. Al polarizar el diodo Zener en inverso con Vz, la intensidad de circulación inversa adquirirá un valor no determinado por el propio Zener, lo que puede conducir a la destrucción del diodo. Para limitarla se recurre al circuito externo que complementa la actuación del diodo.

Polarizar diodo zener

Polarizar diodo zener

Estructuralmente, el diodo Zener es semejante al diodo semiconductor convencional; la única diferencia reside en que en el Zener una de las zonas del semiconductor (P o N) se halla más dopada con impurezas que la otra.

Aplicaciones de los diodos Zener

La aplicación fundamental de los diodos Zener se concreta en el terreno de la regulación, ya que por sus características son capaces de mantener en bornes una tensión constante de magnitud igual a Vz.

Anteriormente se ha precisado que la limitación de intensidad se efectúa exteriormente al Zener.

Aplicación de los diodos zener

Aplicación de los diodos zener

Supongamos que se trata de estabilizar la tensión de salida de una fuente de alimentación (Va) a un determinado valor V algo inferior a Va. La solución consiste en seleccionar un Zener cuya Vz coincida o sea de valor muy próximo a la tensión V.

El circuito de estabilización estará formado por el Zener y la resistencia limitadora R.

De no existir el Zener, al variar la magnitud de la carga RL,variará la intensidad I y, en consecuencia, fluctuará la tensión de salida del alimentador Va. Al introducir el diodo Zener, la tensión de salida permanecerá fija (V = Vz), de tal
forma que la alteración de la magnitud resistiva de la carga no modificará la tensión V.

La intensidad sí se verá sometida a fluctuaciones. No obstante, la resistencia limitadora R -calculada para proteger el Zener en las condiciones de carga más desfavorables- absorberá el exceso de corriente en forma de caída de potencial. Cabe precisar que el diodo Zener es un dispositivo semiconductor que actúa en polarización inversa y que es capaz de mantener constante una tensión en bornes de valor Vz.

Diodos túnel

El diodo túnel basa su actuación en el denominado efecto túnel o Easaki. Éste se manifiesta debido a que los diodos túnel incluyen una elevada concentración de impurezas en ambas zonas de semiconductor (P y N), lo que se traduce en:
– Una zona de unión ZT muy estrecha.
– Un campo eléctrico en la unión (E) considerablemente elevado.

Diodos tunel

Diodos tunel

En estas circunstancias el fenómeno que se origina es similar al de avalancha, con la salvedad de que la ionización es producida por el campo eléctrico E. Éste, debido a su intensidad, arranca e- de los átomos presentes en ZT que se ocuparán de propagar la ionización en cadena.

La generación de nuevos portadores (e-) por efecto de la ionización es progresiva. Los referidos portadores establecen una corriente cuyo crecimiento se prolonga teóricamente hasta el infinito, tal como se observa en la curva característica.

Al igual que el efecto de «avalancha», el efecto túnel o Easa ki se manifiesta en polarización inversa.

Curva característica del diodo túnel

Curva característica del diodo túnel

Debido a la elevada concentración de impurezas, la zona de transición es de anchura reducida. Ello impide la ruptura por efecto avalancha, puesto que el espacio no es suficiente para que los electrones alcancen la aceleración necesaria para desencadenar la ionización.

En polarización directa, el diodo túnel presenta una especial particularidad:
– Cuando la tensión VD supera el valor Vp (tensión de pico), la evolución de la intensidad es decreciente respecto al incremento de VD.
– Al llegar a VD = Vv (tensión de valle) la gráfica vuelve a ser de nuevo ascendente, reflejando un incremento de I respecto a VD.

El especial trazado de la curva característica del diodo túnel se debe a que ésta sintetiza el efecto túnel y el funcionamiento como diodo normal. El tramo de curva comprendido entre los puntos de abscisas Vp y Vv es de gran importancia.

A un incremento positivo de la tensión VD, corresponde una decrementación de la intensidad I. Ello significa que en este intervalo el diodo túnel presenta una resistencia negativa. Esta pecu liaridad hace que los diodos túnel favorezcan teóricamente la no disipación de energía, ya que en el intervalo comprendido entre Vp y Vv presentan un efecto de anti-resistencia.

Por este motivo los diodos túnel se utilizan con frecuencia en los circuitos osciladores, con el fin de contrarrestar la resistencia propia del circuito y minimizar la amortiguación de la onda a través del tiempo.

Fotodiodos

Un fotodiodo es una unión P-N abierta a la luz exterior. Debido a la naturaleza corpuscular (Fotones) de la luz, la incidencia de un haz luminoso sobre el semiconductor se traduce en una comunicación real de energía.

Gráfica de trabajo de un fotodiodo

Gráfica de trabajo de un fotodiodo

Si la radiación luminosa posee la energía suficiente para liberar portadores de la zona de transición, se originará un fenómeno de conducción inversa a través del diodo.

Al igual que en los diodos Zener y túnel, el efecto característico del fotodiodo se manifiesta cuando éste se halla polarizado en sentido inverso.

La curva característica del fotodiodo sintetiza el efecto de conducción provocada por la radiación luminosa con el funcionamiento propio de la unión P-N semiconductora.

Símbolo del fotodiodo

Se observa, por ejemplo, que en ausencia de polarización (V = 0 voltios) existe una corriente inversa que depende de la radiación luminosa que incide sobre la unión P-N. De ahí que utilizando como parámetro el nivel de iluminación aparezcan unconjunto de curvas características [I = f (V)], una para cada parámetro.

La gráfica de trabajo de un fotodiodo suele representarse únicamente en polarización inversa; para ello, no hay más que tomar el cuadrante inferior izquierdo de la representación completa.

El nuevo sistema coordenado indicará sobre el eje de abscisas los valores de tensión inversa (V-) y sobre el de ordenadas los valores de la intensidad de circulación inversa (1-).

La gráfica de trabajo muestra una primera curva que corres ponde a ausencia de iluminación. Ésta coincide con la característica de un diodo semiconductor, ya que
la función intensidad es Is (corriente inversa de saturación).

A medida que la iluminación crece, las curvas son más abiertas y reflejan una mayor intensidad a través del fotodiodo.

El campo de aplicación de los fotodiodos es amplio y diversificado. A modo de ejemplo, cabe observar que con un fotodiodo, un miliamperímetro y una pila dispuesta en serie, se tiene un cir cuito capaz de medir la intensidad de la luz
(Fotómetro).

Las variaciones de luz son acusadas por el fotodiodo que canalizará mayor o menor intensidad. Ésta será medida por el miliamperímetro que indicará el número de lúmenes sobre la escal a previamente graduada con un instrumento patrón.

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