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ar/materias/6625 2do Cuatrimestre de 2012

DIODOS ESPECIALES
Introduccin Este apunte es una introduccin general a diversos diodos con propiedades elctricas especiales. Para comprender en detalle el funcionamiento de estos dispositivos se requieren conocimientos de mecnica cuntica y teora de bandas, por lo que aqu slo se dar un tratamiento elemental, reservando su explicacin completa para futuros cursos de fsica de los semiconductores. Los dispositivos que sern analizados son los siguientes:

Diodos:

Zener Schottky Varicap Tnel

Tipos de diodos Existen distintos diodos en los cules su geometra, niveles de dopaje o materiales semiconductores se disean de modo de lograr un desempeo adecuado para ciertas funciones especiales. Los diodos especiales ms habituales, junto con sus smbolos tpicos, se ilustran en la Fig. 1.

Diodo Zener

Diodo Schottky
Fig. 1

Diodo Tnel

Diodo Varicap

Existen tambin otros dispositivos de juntura PN, como los LEDs, los diodos lser, los fotodetectores, los diodos PIN, los diodos de avalancha, los SCR, etc. que los hemos agrupado para su estudio dentro de otros apuntes (Dispositivos Opto-electrnicos o Dispositivos de Potencia). Tambin existen otros diodos especiales que no se incluyen en este apunte, como por ejemplo el diodo Gunn, porque su uso es muy poco frecuente. En la Fig. 2 se muestran posibles clasificaciones hechas por Fairchild para los diodos ms habituales.

Fig. 2

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Curva caracterstica del diodo convencional La curva I-V del diodo PN rectificador elemental se ilustra en la Fig. 3.

Fig. 3

El modelo matemtico ms empleado es el de Shockley que permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayora de las aplicaciones:

I =I S e
Donde:

qV D nkT

I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo VD es la diferencia de tensin entre los extremos del diodo. IS es la corriente de saturacin (del orden de 1012 Amper) q es la carga del electrn cuyo valor es 1.61019 Coul T es la temperatura absoluta de la juntura k es la constante de Boltzmann n es el coeficiente de emisin, que depende del proceso de fabricacin del diodo, y toma valores del orden de 1 (para el germanio) y del orden de 2 (silicio).

Tensin umbral (ON voltage). Valor cercano a la tensin de la zona de carga espacial del diodo no polarizado. Corriente mxima (Imax). Es la intensidad de corriente mxima que puede conducir el diodo en directa sin fundirse por el efecto Joule. Depende sobre todo del diseo geomtrico y la capacidad de disipar potencia. Corriente saturacin inversa (Is). Corriente formada por el arrastre de minoritarios cuando se polariza en inversa y una pequea corriente que se establece por la formacin de pares electrn-hueco debido a la energa trmica en la zona desierta. Tensin de ruptura (Vr). A partir de un determinado valor de tensin se produce la ruptura inversa del diodo, lo que implica un fuerte incremento en la corriente inversa, como se analizar a continuacin.

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Tipos de ruptura inversa: Avalancha y Zener A medida que aumenta la tensin de polarizacin inversa de un diodo PN crece la extensin de la zona desierta y la magnitud del campo elctrico mximo de la juntura. Para cierto valor de tensin inversa (tensin de ruptura o de avalancha) puede ocurrir que los portadores alcancen energas tan altas que al chocar con la red generen nuevos portadores (Fig. 4). Este efecto multiplicador en la cantidad de portadores debe ser limitado mediante una resistencia serie externa para evitar la destruccin del diodo.

Fig. 4

En cambio, si el dopaje del diodo es mayor, la zona desierta ser ms reducida, y no habr distancia suficiente para acelerar a los portadores como para generar el efecto avalancha. En este caso, si la tensin inversa es suficientemente grande, se producir un desprendimiento de portadores de la zona de vaciamiento por un efecto cuntico llamado efecto tnel. En general, en los diodos estn presentes tanto el efecto Zener como el efecto de Avalancha, pero el efecto predominante ser aquel que se produzca a menor tensin inversa. En los diodos de silicio es posible lograr el efecto Zener para valores de aproximadamente 1 a 5.6 Volts, mientras que por sobre 5.6 Volts predomina el efecto de avalancha. Generalmente, cuando se habla de un diodo Zener se hace referencia a diodos que se utilizan polarizados en la tensin de ruptura inversa, independientemente de si sta ruptura se produce por efecto Zener o por efecto avalancha, y que se emplean para obtener tensiones de referencia o reguladas, como veremos a continuacin.

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Ejemplo de aplicacin de diodo Zener En la Fig. 5 se ilustra un ejemplo de la curva caracterstica de un diodo Zener.

Fig. 5

Debido a que en polarizacin inversa el diodo Zener presenta una regin de tensin casi constante para un rango amplio de corrientes (ver Fig. 5) se los utiliza para obtener una tensin regulada. El circuito elemental se muestra en la Fig. 6. Eligiendo la resistencia R y las caractersticas del diodo, se puede lograr que la tensin en la carga (RL) permanezca prcticamente constante dentro de un rango de variacin de la tensin de entrada V NR.

Fig. 6

Para elegir la resistencia limitadora R adecuada hay que calcular cul puede ser su valor mximo y mnimo de acuerdo con la corriente I L mnima y mxima, las corrientes de Zener mnimas y mximas, y las tensiones V s mnimas y mximas:

Si se utiliza por ejemplo el diodo Zener de 2.4 V ilustrado en la Fig. 7, entonces dentro de cierto rango de I L se asegurar una tensin de 2.4 V sobre la carga.

Fig. 7

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Tolerancia de los diodos Zener y su variacin con la temperatura La tensin de Zener puede ser controlada en el proceso de fabricacin mediante el ajuste del dopaje. En general la tolerancia tpica de V z es del 5% o 10%, aunque se logran tolerancias de hasta 0.05%. Cuando la ruptura se produce por efecto Zener la tensin V z presenta un coeficiente de variacin negativo con la temperatura. En cambio, cuando predomina el efecto de avalancha V z tiene un coeficiente positivo de variacin con la temperatura. Los diodos Zener de silicio de 5.6 V son muy populares, ya que ambos efectos se producen en simultneo, compensando la variacin de temperatura. Diodo Schottky El diodo Schottky es un diodo que proporciona conmutaciones muy rpidas entre los estados de conduccin directa e inversa (menos de 1ns en dispositivos pequeos) y que tiene muy bajas tensiones umbral (del orden de 0.2V).

Fig. 8 El diodo Schottky est constituido por una juntura metal-semiconductor, en lugar de una juntura PN. En la Fig. 8 se muestra un diodo Schottky de aluminio. Debido a efectos cunticos, la juntura N-Al tiene las propiedades rectificativas similares a la de una juntura PN, mientras que la juntura N +-Al se comporta como una juntura hmica metal-metal. De este modo, si el cuerpo semiconductor est dopado con impurezas tipo N, solamente los portadores tipo N (electrones mviles) desempearn un papel significativo en la operacin del diodo N-Al y no se realizar la recombinacin aleatoria y lenta de portadores tipo N y P que tiene lugar en los diodos rectificadores normales, con lo que la operacin del dispositivo ser mucho ms rpida. La alta velocidad de conmutacin del diodo Schottky permite rectificar seales de muy altas frecuencias y encuentra una gran variedad de aplicaciones en circuitos de alta velocidad para comunicaciones y computadoras.

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Diodo Varicap El Diodo de capacidad variable o Varactor (Varicap) es un tipo de diodo que basa su funcionamiento en la variacin de extensin de la zona desierta de la unin PN en funcin de la tensin inversa aplicada entre sus extremos. Al aumentar dicha tensin, aumenta la anchura de esa barrera, disminuyendo as la capacidad del diodo. De este modo se obtiene un condensador variable controlado por tensin. Los valores de capacidad obtenidos van desde 1 a 500 pF. La tensin inversa mnima tiene que ser de 1 V. La aplicacin de estos diodos se encuentra, sobre todo, en sintonizadores de TV (Fig. 9), modulacin de frecuencia en transmisiones de FM y radio y en los osciladores controlados por voltaje (VCO).

Fig. 9

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Diodo Tnel Los diodos tnel estn fuertemente dopados, de modo que la zona de vaciamiento tiene slo unos pocos nanmetros, por lo cual se manifiestan fuertemente el efecto tnel (Fig. 10), que es un fenmeno solamente explicable a partir de la mecnica cuntica. Este diodo fue inventado en 1958 por el japons Leo Esaki, por lo cual recibi un premio Nobel en 1973.

Fig. 10

Los diodos Tnel son generalmente fabricados en Germanio, pero tambin en silicio y arseniuro de galio. Son diodos muy rpidos que presentan una respuesta una zona con resistencia negativa (Fig. 11), que permite su utilizacin como elemento activo en osciladores y amplificadores. En la prctica los diodos tnel operan con unos pocos miliampers y potencias muy bajas.

Fig. 11

Bibliografa S. M. Sze - Physics of Semiconductor Devices Muller Kamins - Device Electronics For Integrated Circuits www.wikipedia.org