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COMO FUNCIONA: Imprimir ArtculoDIODO SEMICONDUCTOR (Diodo de
unin n-p y diodo Schottky)
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Jos Luis Giordano Agosto 29, 2010 (ltima revisin: Agosto 29,
2010) INTRODUCCIN: Convencin sobre la corriente El diodo
semiconductor no solo es de gran importancia en las aplicaciones
electrnicas modernas, sino que adems la teora de la unin n-p sirve
como fundamento en la comprensin de los dispositivos
semiconductores. Pero antes de ver qu es un diodo semiconductor,
por qu rectifica, qu diferencia hay entre un diodo rectificador y
uno demodulador de AM, y qu es la corriente inversa de saturacin,
el voltaje de ruptura y qu es el voltaje umbral, es conveniente
comenzar especificando cul es la representacin de la circulacin de
corriente elctrica que se utilizar. En cada "rama" de un circuito
(parte del circuito entre dos bifurcaciones o "nodos", formada por
alambres y componentes, todos conectados en serie uno con el otro),
puede haber solo una corriente elctrica, caracterizada por su
magnitud ("intensidad de corriente") que es un nmero real I con la
unidad correspondiente (ampere, A, para la corriente en el S.I. de
unidades), y uno de los dossentidos de circulacin (hacia uno u otro
extremo de la rama). Se conviene en que el signo positivo (o
negativo) de la intensidad de corriente I indica que fluye en el
mismo sentido (o al revs) del indicado esquemticamente por la
flecha en los diagramas de circuitos:
I > 0 A si fluye en el sentido indicado; o bien, I < 0 A
cuando fluye al revs.
Pero hay que convenir adems si la corriente I representa un
flujo de cargas positivas o de cargas negativas. Desde el punto de
vista de la energa de las cargas en un punto del circuito, el
problema es anlogo al caso de la masa m de un cuerpo en el campo
gravitatorio g de la Tierra, donde el cuerpo sufre una
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variacin de altura h cayendo hacia una energa potencial
gravitacional (mgh+constante) menor:
Los portadores de carga elctrica q de un circuito fluyen hacia
un voltaje V donde tienen una energa potencial elctrica U (=
qV+constante) menor Pero en el caso del Electromagnetismo, a
diferencia de la Gravitacin, existe la repulsin y pueden haber
portadores de cargas positivas (q > 0 C) y negativas (como los
electrones libres en un metal, que tienen carga q = -e < 0 C).
Para unas la variacin de voltaje V tiene un signo, y para las otras
(que circulan al revs) V tiene el signo opuesto. Pero como ambos
factores (q y V) cambian de signo, entonces la variacin U = qV de
energa potencial U es igual en ambos casos, y entonces resulta que
respecto del voltaje hay dos formas equivalentes de representar la
misma corriente:
(i) cargas positivas yendo hacia un voltaje menor (ii) cargas
negativas yendo hacia un voltaje mayor
Aqu se adopta la primera, que es la convencin ms difundida: I
representa la circulacin de cargas elctricas positivas fluyendo
hacia un voltaje menor Entonces la corriente I > 0 A sale del
borne de mayor potencial de la fuente de voltaje (indicado con
"+"), pasa a travs de todos los elementos del circuito ("cayendo" a
un voltaje menor), y entra por el borne negativo de la fuente. En
el caso de los conductores (metales), la verdadera "corriente
fsica" de cargas elctricas circula al revs que la "corriente
convencional" I > 0 A que se representa en los esquemas (como se
muestra en la Figura).
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Fig. 1: Diagrama esquemtico de una fuente de voltaje ideal
conectada a un resistor. En el circuito se indica el sentido de
circulacin de la corriente elctrica de intensidad I > 0 A, segn
la convencin adoptada (circulando al revs que los electrones libres
dentro del material conductor del resistor). Hay que enfatizar que
"dentro" de la fuente de voltaje (que es el elemento que realiza
trabajo para mantener la circulacin de cargas a travs de un medio
disipativo), la corriente I > 0 A va desde el borne "-" al borne
"+". A la fuente de voltaje se la denomina "Fuerza Electromotriz"
(FEM), y en su interior las cargas son llevadas (mediante la
transformacin de alguna forma de energa) a una energa potencial
mayor. Pero "fuera" de la FEM, sobre cada elemento pasivo del
circuito, la corriente I > 0 A va al revs (desde "+" hacia "-").
Estos voltajes o diferencias de potencial elctrico se denominan
"cadas de voltaje", porque corresponden a una corriente de cargas
que "caen" hacia una energa potencial inferior, en un voltaje
menor. En el caso de la corriente de cargas negativas dentro de un
metal, fuera de la FEM tambin caen a una energa potencial inferior,
pero fluyendo hacia un voltaje mayor. DIODO SEMICONDUCTOR (Diodo de
unin n-p y diodo
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Schottky) 1-QU ES Un rectificador de corriente elctrica o
"DIODO" es un componente electrnico de 2 (o ms) terminales o
electrodos, que solo permite la circulacin de la corriente en un
solo sentido, que para cargas elctricas positivas es desde el
electrodo "A" de mayor potencial elctrico (denominado nodo), hacia
el electrodo "K" de menor potencial (denominado ctodo). Por lo
tanto un diodo es, en general, un componente unidireccional,
asimtrico. Un rectificador perfecto es el que para cualquier
voltaje aplicado, no conduce absolutamente ninguna corriente de
cargas positivas desde K hacia A, mientras que al revs, conduce
cualquier valor infinitamente grande de corriente. Existe un
conjunto muy grande de rectificadores semiconductores y
dispositivos relacionados con caractersticas fsicas y geomtricas
propias, segn la funcin que deban realizar. Los primeros
componentes electrnicos que dominaban la Electrnica a mediados del
Siglo XX, fueron las "vlvulas" termoinicas, tambin denominadas
"lmparas" o "tubos" termoinicos. El voltaje de la "placa" (nombre
del nodo de las vlvulas) es suficientemente mayor al del K como
para que electrones del K abandonen el metal, y formen una
corriente interior desde el K hacia la placa. Por lo tanto todas
las vlvulas rectifican corriente elctrica. La ms simple, el diodo
termoinico, posee 2 terminales para los electrodos (K y placa) y
otros 2 terminales para un calefactor del K (En algunas vlvulas el
calefactor tambin acta de ctodo). El diodo termoinico se usa
especficamente para rectificar, mientras que otros tipos de vlvulas
tienen ms terminales para realizar otras funciones (como por
ejemplo amplificar). Con el desarrollo de la Electrnica de "Estado
Slido" a partir de la concepcin de la Fsica Cuntica (entre 1900 y
1927), la invencin del transistor bipolar (de contacto en 1947 y de
unin en 1951) y la fabricacin de transistores (a partir de 1954),
en la segunda mitad del Siglo XX comenzaron a desarrollarse una
infinidad de componentes semiconductores, y entre ellos, muchos
tipos especiales de rectificadores. A uno de los dos ms simples se
lo conoce simplemente como "diodo rectificador
(semiconductor)".
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Fig. 2: Fuente de voltaje alterno VAC alimentando una
resistencia RL de carga a travs de (a) un diodo termoinico
(omitiendo el calefactor y su circuito) y (b) un diodo de estado
slido. En ambos circuitos, debido al efecto del rectificador, a RL
solo llegan los semiciclos positivos de VAC. Estos dos componentes
son los rectificadores ms elementales de cada generacin de
dispositivos electrnicos. Por su propiedad ms importante (conducir
corriente en un sentido y bloquearla en el otro), el smbolo
electrnico del diodo semiconductor es una "flechita" en el sentido
de circulacin "directo" (forward en ingls), desde A hacia K. El
sentido correspondiente a voltajes negativos, se denomina "inverso"
(reverse). Por su propia construccin fsica, aunque se pueda hablar
de voltaje inverso, en las vlvulas termoinicas no existe ninguna
corriente inversa. En los dispositivos de estado slido esto es
diferente. No solo existe una corriente inversa, sino que adems es
muy importante en el funcionamiento de muchos dispositivos (por ser
muy sensible a la iluminacin y a la temperatura). Este artculo
trata de los 2 tipos ms simples de rectificadores modernos
(semiconductores) mostrados en la Figura siguiente, compuestos por
(la unin o contacto de) dos materiales:
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(1) Diodos de "Unin Semiconductor-Semiconductor": son los ms
conocidos (comnmente llamados "diodos rectificadores"),
constituidos por la unin de un semiconductor dopado tipo-n con un
semiconductor del mismo material pero tipo-p (diodos de "unin
n-p"); (2) Diodos de "Barrera Schottky Metal-Semiconductor" o
"Diodos Schottky": son los primeros que existieron (llamados
"diodos de seal"), constituidos por un metal y un semiconductor
dopado tipo-p. Estos 2 materiales suelen estar ligados mediante un
contacto puntual o por una unin fsica, como por ejemplo mediante
difusin.
Fig. 3: Muestra de los dos tipos de diodos semiconductores ms
comunes y simples: un diodo rectificador 1N4007, de unin n-p de
silicio (con encapsulado plstico) y dos diodos de seal 1N60,
Schottky de germanio (con encapsulado de vidrio). En el smbolo de
este ltimo, el K se indica con una "S" de "Schottky". En el Apndice
"Otros diodos y dispositivos relacionados", se mencionan por
comparacin algunos tipos especiales de rectificadores de estado
slido con estructura ms compleja, como diodos zener, varactores,
diodos tnel, diodos reguladores de corriente (CRDs), diodos
Shockley, DIACs, diodos emisores de luz
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(LEDs), fotodiodos, fotoceldas y algunos rectificadores de 3
terminales que no son realmente diodos (o son algo ms que diodos),
pero que en algn sentido estn relacionados a los rectificadores
(como los SCRs, los TRIACs y los diodos zener programables). 2-PARA
QU SIRVE (1) El rectificador ms conocido es el "DIODO DE UNIN n-p"
o simplemente "DIODO RECTIFICADOR". En algunas de sus aplicaciones
se usa solamente la propiedad de conducir corriente en un sentido y
bloquearla en el otro. En otras se usa la propiedad del aumento
brusco de la corriente con el voltaje al alcanzar sus valores lmite
de voltaje (ruptura en inverso, y umbral en directo) y en otras la
dependencia del voltaje directo con la temperatura. Por ejemplo:
(1.1) Rectificadores de Voltaje y de Corriente: Esta es la
aplicacin ms extendida y conocida de un rectificador, donde 1, 2 4
diodos conectados al secundario de un transformador de una fuente
de alimentacin, sirven para convertir corriente alterna (AC, Altern
Current) en corriente con una sola polaridad, para despus (con
otros elementos de circuito), convertirla finalmente en corriente
continua (DC, Direct Current).
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Fig. 4: Diagramas esquemticos de fuentes AC de voltaje
Vi(bobinado secundario de un transformador) con rectificadores. El
voltaje de salida Vo corresponde a: (A) media onda implementada
usando un bobinado simple con 1 diodo; (B) onda completa, bobinado
simple con 4 diodos, (C) onda completa, bobinado de punto medio con
2 diodos; y (D) rectificador bipolar de onda completa simtrica,
bobinado de punto medio con 4 diodos. Los diodos rectificadores
tambin se usan en paralelo con un interruptor, para reducir a la
mitad la potencia de calefactores en diversos aparatos (soldadores,
secadores de pelo, estufas, etc.), ya que durante medio ciclo (la
mitad del tiempo) no conducen. (1.2) Compuertas Lgicas: Con diodos
rectificadores y transistores se pueden implementar configuraciones
que se comportan como "circuitos lgicos", realizando las
operaciones bsicas (not, or y and, o las universales nor y nand), y
combinaciones de ellas. Estos circuitos se usan en indicadores
luminosos, en sistemas de control electrnico, en conmutacin y
activacin de relays. (1.3) Multiplicadores de Voltaje: Conectando
diodos rectificadores y condensadores, se pueden implementar
configuraciones de alto voltaje que cargan los condensadores en los
semiciclos AC, aumentando el voltaje entre dos puntos dados del
circuito. Se utilizan en fuentes de alto voltaje (como por ej. las
fuentes de TVs y de ozonizadores de aire en hospitales y de agua en
piscinas).
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Fig. 5: Diagramas esquemticos de un duplicador de voltaje y de
un multiplicador de voltaje extendible, a partir de una fuente de
voltaje AC Vi(t) de amplitud VM, condensadores y diodos
rectificadores. En el segundo circuito, cada condensador queda
cargado con VM y, donde se unen el diodo y el condensador n-simos,
se tiene el voltaje de salida Vo = nVM. (1.4) Reguladores de
voltaje y Protectores de Sobrevoltaje: Los diodos rectificadores
pueden limitar el voltaje de 3 modos diferentes: sin conducir en
inverso (A en la Fig. siguiente), sin conducir en directo (B), y
conduciendo en directo (D). Un cuarto modo es limitar el voltaje
conduciendo en inverso, que se realiza con un diodo especial,
denominado zener (C en la Figura).
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Fig. 6: Curva caracterstica de un diodo, indicando cuatro puntos
de trabajo de protectores de sobretensin (A y B) y reguladores de
voltaje (C y D) utilizando un diodo, con los correspondientes
diagramas esquemticos de los circuitos. En A y en C se utiliza el
voltaje inverso de ruptura VBR como lmite de voltaje, mientras que
en B y en D el voltaje umbral V. En A y en B el diodo no conduce
(acta como protector de sobrevoltaje), mientras que en C y en D el
diodo deja pasar corriente fijando el voltaje (acta como regulador
de voltaje). A, B y D se implementan con un diodo rectificador
comn, mientras que C tiene un diodo zener. (a) Proteccin por
voltaje de ruptura VBR ( VRMax), conectado en inverso sin conducir
(A en la Fig. anterior): Esta configuracin se fundamenta en que la
curva caracterstica I vs. V en inverso tiene un "voltaje de
ruptura" VBR (breakdown, tpicamente 2-1000 V dependiendo del tipo
de diodo) y una pendiente muy pronunciada (zona de avalancha). Esto
significa que cuando no se alcanza ese voltaje, el diodo tiene una
resistencia muy grande (no conduce), pero cuando un transitorio de
voltaje intenta sobrepasar el valor de ruptura, el diodo se vuelve
conductor (con muy baja resistencia) en sentido inverso,
manteniendo al voltaje cercano al de ruptura. Conectando entonces
al diodo en oposicin y en paralelo con el circuito que se desea
proteger, ante un sobrevoltaje de tensin
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transitorio y que supere el voltaje de ruptura, el diodo deja
pasar corriente (en inverso) "absorbiendo" el transiente en una
fraccin de microsegundo (y posiblemente fundiendo algn fusible para
interrumpir el funcionamiento). Para AC se conectan dos diodos en
"anti-serie" (en serie pero uno en oposicin con el otro), y el
conjunto anti-serie conectado en paralelo con el circuito que se
desea proteger. De las dos barreras en serie, limita la mayor, la
de ruptura. De este modo, durante una sobretensin que supere VBR,
segn su polaridad, uno deja pasar corriente en directo y el otro en
inverso, impidiendo que aumente demasiado el voltaje. En general
los rectificadores no se usan de este modo, ya que no estn
preparados para conducir en sentido inverso. Por eso, cuando los
diodos rectificadores (comunes) se usan as, es para transientes no
repetitivos. (b) Proteccin por voltaje umbral V, conectado en
directo pero sin conducir (B en la Fig. anterior): Esta
configuracin es similar a la anterior pero para proteccin contra
sobrevoltajes muy pequeos. Se fundamenta en que la curva
caracterstica I vs. V en directo tiene un "voltaje umbral" V
(threshold) y una pendiente muy pronunciada
(En diodos de germanio (Ge) es VGe 0.25 V y en diodos de
silicio
(Si) es VSi 0.6 V). Conectando entonces al diodo en directo y
en
paralelo con el circuito que se desea proteger, ante un voltaje
transitorio y que tienda a superar el umbral, el diodo conduce
"absorbiendo" el transiente rpidamente. Para AC se conectan dos
diodos en "anti-paralelo" (back-to-back), y el conjunto
anti-paralelo conectado en paralelo con el circuito que se desea
proteger. En paralelo, la barrera que limita es la menor, la del
voltaje umbral (ya que en general, para los rectificadores, el
voltaje umbral es mucho menor que el voltaje de ruptura). De este
modo, durante la sobretensin, segn su polaridad, uno de los diodos
deja pasar corriente en directo, impidiendo que aumente demasiado
el voltaje (y tal vez fundiendo un fusible). Esta proteccin es
utilizada para voltajes relativamente bajos. Para mayores voltajes
y potencias, en vez de utilizar varios diodos, se utiliza un
varistor (VARiable resISTOR), tambin denominado VDR (Voltage
Dependent Resistor). El ms comn es el MOV (Metal Oxide Varistor),
fabricado con material policristalino sinterizado compuesto de
xidos de zinc (Zn) con xidos de bismuto (Bi), cobalto (Co) y
manganeso (Mn). Este material tiene uniones
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semiconductoras entre granos, por lo tanto se puede modelar como
un conjunto o arreglo de diodos en serie y en paralelo. (c)
Regulador de voltaje mediante voltaje umbral V, conduciendo en
directo (D en la Fig. anterior): En paralelo con el circuito que se
desea proteger, funciona como "anclaje" de voltaje (clamp diode).
La regulacin de voltaje directo no es muy buena, pero de todos
modos, porcentualmente es muy superior a las variaciones relativas
de la corriente. Para regular simtricamente circuitos de AC de este
modo, se colocan en anti-paralelo. Cuando se requiere que acte a
voltajes mayores, se colocan ms diodos en serie, y para aumentar la
capacidad de absorber corriente, se colocan ms diodos en paralelo.
Para una mejor regulacin de voltaje, en vez de esta configuracin
conduciendo en directo, es ms comn utilizar un solo diodo zener
conduciendo en inversa (como en C de la Figura anterior). La curva
caracterstica en la zona inversa de ruptura es mucho ms pronunciada
que la zona de conduccin directa (como se ve con el trazador de
curvas en un Apndice al final), por lo que un zener tiene mejor
regulacin de voltaje. Adems se consiguen diodos zener de varios
voltajes (cosa que no sucede con los voltajes umbral). (1.5)
Transductores de temperatura a voltaje: Los diodos semiconductores
rectificadores son muy fciles de usar en termometra industrial y en
laboratorios, como termmetros pequeos, rpidos, confiables, de gran
exactitud y repetibilidad, incluyendo muy bajas temperaturas. La
termometra usando diodos semiconductores est basada en la
dependencia del voltaje directo VF(T, IF) con la temperatura T y la
corriente directa IF en una unin n-p. Para que solo dependa de T,
se usa una pequea corriente elctrica constante, tpicamente IF 10 A
(0.1%), lo suficientemente baja como para no sobrecalentar ni el
dispositivo ni el sistema donde se mide T, y lo suficientemente
alta como para que la magnitud de VF sea relativamente grande (del
orden de 100 mV superior) para ser "leda" con un circuito
electrnico standard. La "curva de respuesta con la temperatura"
VF(T) de una unin n-p con Ge o con Si, es relativamente lineal
solamente en rangos
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pequeos de temperatura. Pero con la Electrnica moderna, la
alinealidad no es un problema. Muchos controladores de temperatura
tienen un algoritmo PID y un termmetro formado por el diodo sensor
de temperatura, con los puntos (VF, T) obtenidos en una calibracin
previa, guardados en la memoria.
Fig. 7: Diagrama esquemtico de curvas caractersticas Corriente
vs. Voltaje de un diodo a una misma corriente IF pero a diferentes
temperaturas (T1 < T2 < T3 < T4), y representacin de su
respuesta Voltaje directo vs. Temperatura. En la parte inferior se
muestra el esquema bsico usado en termometra. Por ejemplo el sensor
de temperatura DT-670 Lake Shore es un diodo de Si especificado
para funcionar entre 1.4 y 500 K (0 K -273.15 oC), se puede usar
bajo campo magntico por sobre los 60 K, y posee una respuesta media
con la temperatura aproximadamentelineal en dos tramos: (a) dVF/dT
-22.6 mV/K en el rango 1.4K T 23K (1.644290V VF 1.140817V) (b)
dVF/dT -2.1 mV/K en el rango 23K T 500K (1.140817V VF
0.090681V)
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A continuacin se muestran partes de las curvas caractersticas I
vs. V de algunos componentes, utilizando el Hameg HM6042-1 (V2.01)
Curve Tracer. Con este instrumento trazador de curvas, de los 4
cuadrantes (I y IV para polarizacin directa; Cuadrantes II y III
para polarizacin inversa), solo se puede ver un cuadrante por vez.
En el eje vertical Y el instrumento representa la corriente en 8
divisiones (div.Y) que, segn la escala seleccionada, 2, 20 y 200
mA, representan 0.25, 2.5 y 25 mA/div.Y respectivamente. En el eje
horizontal X el instrumento representa el voltaje en 10 divisiones
(div.X) que, segn la escala seleccionada, 2, 10 y 40 V, representan
0.2, 1 y 4 V/div.X respectivamente.
Fig. 8: Cuadrante I de la curva caracterstica de un diodo
rectificador 1N4007 de silicio en el trazador de curvas
(25mA/div.Y; 0.2V/div.X). Se observa un voltaje umbral V < 0.66
V, a partir del cual comienza a conducir. (2) El siguiente diodo
semiconductor es el DIODO SCHOTTKY, el primer rectificador, el
primer demodulador de radio de amplitud modulada (AM), el primer
componente electrnico, y tambin el primer componente de estado
slido de la Historia. Es un componente que adems de su propiedad de
rectificar en directo y bloquear en inverso, tiene la propiedad de
tener una barrera de potencial muy baja, lo que se asocia a una
velocidad de
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conmutacin alta (para pasar del estado de "conduccin" en
directo, al estado "bloqueado" en inverso), y por lo tanto til en
aplicaciones de alta frecuencia. De hecho, para distinguirlos de
los dems diodos, en las tiendas de Electrnica se los conoce como
diodos "de seal", debido a su extendida aplicacin como detectores
(o demoduladores) para demodular la onda de radio de AM (i.e.,
obtener la seal de AF "escondida" en la modulacin de las ondas de
RF). Esta fue una de las primeras aplicaciones de los
rectificadores (en la denominada "Radio Galena"), y actualmente es
una aplicacin muy generalizada de este tipo de diodos.
Fig. 9: Diagrama esquemtico de la demodulacin de una onda de
radio AM mediante un diodo Schottky. Se muestran esquemticamente la
onda de radio AM sintonizada antes, y la onda de AF despus del
diodo detector.
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Fig. 10: Cuadrante I de la curva caracterstica de un diodo
Schottky, tipo 1N60 de germanio (0.25mA/div.Y; 0.2V/div.X). El
instrumento muestra un voltaje umbral muy bajo (V 0.13V) en
comparacin con el diodo rectificador de silicio de la Figura
anterior. 3-DE QU EST HECHO Los dos tipos de diodos semiconductores
ms simples son dispositivos bsicos de estado slido donde el A est
compuesto por un material semiconductor tipo-p (generalmente Si, Ge
o GaAs). En un diodo rectificador el K es del mismo material
semiconductor que el A pero tipo-n, y en un diodo Schottky el K es
un metal. Como toda la corriente que alimenta un circuito debe
pasar por los rectificadores de la fuente de alimentacin, los
diodos rectificadores deben ser capaces de disipar cierta cantidad
de potencia con el mnimo de "fugas" en inverso. Por lo tanto, los
rectificadores generalmente se fabrican mediante "uniones" (en vez
de "contactos puntuales") para tener mayor capacidad de transporte,
y con Si (en vez de Ge), pues el Si se puede usar a unas decenas de
grados ms que el Ge. Adems, las corrientes inversas de fuga (Io)
son unas 1000 veces menores en los diodos de Si que en los de
Ge
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(Estas 2 grandes ventajas del Si respecto del Ge son mucho ms
importantes que la desventaja de los diodos de Si de tener un
umbral V 0.6 V, que es casi el triple que en el Ge).
Fig. 11: Esquemas, smbolos y curvas caractersticas de diodos
reales: diodo de unin n-p de Si y diodo Schottky
metal-semiconductor de Ge. Algunos diodos Schottky son fabricados
con contactos y otros con uniones especiales (para tener barreras
bajas), pero entre metal y semiconductor tipo-p (porque la barrera
con el metal es menor que con un semiconductor tipo-n). El
semiconductor generalmente es Ge (porque tiene una barrera menor
que el Si), aunque tambin hay con Si (para que puedan soportar
mayores temperaturas y posean menores corrientes inversas de fuga).
Ejemplos: Serie de diodos rectificadores de Si "1N4001-1N4007"
Diotec Electronic Corp. es uno de los fabricantes de la "Series
1N4001-1N4007 1Amp General Purpose Silicon Diodes". Son 7 diodos
(1N4001/2/3/4/5/6/7) que pueden funcionar entre -65 y 175oC, poseen
una IoMax = 5 A y VRMax = 50, 100, 200, 400, 600, 800, 1000 V
respectivamente. Vienen con encapsulado "DO-41" de plstico (4.1 mm
de largo, 2.6 mm de dimetro) y con una masa de
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0.34 g. Diodo Schottky "1N60" International Semiconductors, Inc.
y Central Semiconductors fabrican un "1N60 Germanium Glass Diode"
hecho con Ge (Gold Bonded Technology), que puede funcionar entre
-55 y 70oC, y posee una corriente inversa mxima de IoMax = 40 A y
VRMax 20 V. Viene en el encapsulado "DO-7" de vidrio (menos de 8mm
de largo, casi 3mm de dimetro) y con una masa de 0.2g. Este
componente tambin existe en silicio. Weitron y Formosa MicroSemi
Co., LTD. fabrican un "1N60 Schottky Barrier Diode" o "Small Signal
Schottky Diode" (Silicon Epitaxial Planar), que puede funcionar
entre -65 y 95oC aproximadamente, y posee una IoMax = 0.1 A y VRMax
40 V. Viene en el encapsulado "DO-35" de vidrio (menos de 5mm de
largo, 2mm de dimetro) y con una masa de 0.13g. 4-CMO FUNCIONA El
mecanismo de rectificacin de un diodo semiconductor es muy distinto
al de una vlvula, debido a que los mecanismos de conduccin en s
mismos son muy diferentes. Sin embargo, algunos conceptos son
generales. Por ejemplo, para ver cmo un rectificador elctrico
bloquea la corriente en un sentido pero la deja circular en el
otro, hay que observar que el dispositivo no es simtrico; est
formado por dos electrodos diferentes: nodo (A) y ctodo (K), y el
voltaje VAK VA - VK sobre el rectificador (la cada de voltaje sobre
el A respecto del K) puede tener dos signos diferentes. Cuando el
voltaje es inverso, VR VAK < 0 V, la polaridad del dispositivo
se denomina "polarizacin inversa" (reverse bias). En este caso la
circulacin de corriente est bloqueada y el rectificador (perfecto)
no conduce (IR = 0A). Esto significa que habra que vencer una
"barrera de energa" (potencial elctrica) para que una corriente (de
cargas positivas) pudiera circular en sentido inverso (desde K
hacia A). La existencia de esa barrera no solo hace que el
dispositivo no sea simtrico, sino que adems determina que haya un
sentido privilegiado de circulacin.
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Cuando el voltaje es directo, VF VAK > 0 V, la polaridad del
dispositivo se denomina "polarizacin directa" (forward bias). El
sentido de circulacin de portadores positivos yendo desde A hacia K
se denomina sentido directo. Puede darse uno de estos 2 casos: (1)
No hay barrera a la conduccin en directo (como en el caso de un
diodo semiconductor ideal donde V = 0V), o bien, (2) Existe otra
barrera (en sentido directo), que es menor que la barrera para la
conduccin inversa (como en los diodos reales o "prcticos"). Por eso
es que sobre el rectificador, para que haya corriente directa IF
> 0A, en general no solo es necesario aplicar un voltaje directo
VF, sino que adems ese voltaje debe ser suficiente para que los
portadores de carga alcancen o superen una brecha de energa; el
voltaje directo debe alcanzar cierto "voltaje umbral" (threshold) V
relacionado con la barrera en directo: 0V V VF Esta expresin toma
en cuenta ambos casos, con barrera en polarizacin directa (V >
0V) o sin ella (V = 0V). Las vlvulas termoinicas rectificadoras
estn diseadas fsicamente para que esta barrera a la conduccin en
directo sea menor que al revs. En la barrera interviene la energa
EW necesaria para hacer que los electrones abandonen el material
del K (denominada "funcin trabajo"). Al aumentar el voltaje de la
placa en relacin al K, aumenta la energa potencial elctrica de los
electrones en el material del K. Como hay que "arrancarlos" de la
superficie del K y acelerarlos hasta la placa, el voltaje Vp sobre
las vlvulas es relativamente alto. Para que este Vp sea menor,
(i.e., para que cueste menos funcin trabajo), se utilizan ctodos
calientes. El proceso se denomina "emisin termoinica", y tpicamente
Vp 100-500 V. El diodo semiconductor de unin funciona de un modo
muy diferente, pero tambin hay que aplicar un voltaje umbral para
vencer una barrera (aunque mucho menor que en las vlvulas). A
continuacin se explica cualitativamente el origen fsico de los
parmetros que determinan la curva Corriente vs. Voltaje de estos
dispositivos.
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Funcionamiento del diodo semiconductor real Tres parmetros
importantes en el funcionamiento del diodo rectificador de unin n-p
y diodo Schottky reales son: (1) Intensidad de corriente inversa de
saturacin Io (2) Voltaje inverso de ruptura VBR ( VRMax) (3)
Voltaje (directo) umbral V Cuando se fabrica un diodo de unin n-p,
al poner en contacto dos materiales con concentracin distinta
(exceso de electrones libres en el tipo-n y exceso de agujeros en
el tipo-p), habr difusin de portadores de carga de uno y de otro
lado a travs de la unin. Entonces, los electrones (portadores de
carga negativos y mayoritarios en el material tipo-n) difundirn
hacia el tipo-p, dejando iones positivos donadores "desnudos" (en
el tipo-n), cruzando la unin y recombinndose con agujeros, haciendo
que queden iones negativos aceptadores desnudos (en el tipo-p).
Anlogamente, los agujeros (portadores de carga positivos y
mayoritarios en el material tipo-p) difunden hacia el tipo-n
cruzando la unin y recombinndose con electrones (En un diodo
Schottky sucede algo relativamente similar, pero con electrones
libres y un metal en vez de un semiconductor tipo-n).
Fig. 12: Representacin esquemtica de la estructura de un
diodo
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semiconductor de unin n-p. Debido a la recombinacin de
electrones libres del tipo-n con los agujeros del tipo-p, alrededor
de la unin quedan iones que generan un campo elctrico intrnseco (de
contacto) Enp desde el tipo-n hacia el tipo-p. Por lo tanto, la
zona de material (originalmente neutro) tipo-n que rodea la unin
queda positiva, y la zona cercana a la unin dentro del material
tipo-p queda negativa, dando lugar a la aparicin de un campo
elctrico inverso, intrnseco o de contacto, Enp, que "apunta" desde
el tipo-n (positivo) hacia el tipo-p (negativo). Este campo Enp de
n hacia p produce una fuerza elctrica Fnp = qEnp sobre las cargas
q. Esta fuerza est en contra de los agujeros que estn difundiendo
hacia n, y anlogamente, el mismo Enp produce una fuerza elctrica
contra los electrones que estn difundiendo hacia p. Por lo tanto,
la difusin persiste hasta que el Enp llegue a ser lo
suficientemente intenso en la unin, como para compensar la difusin
y establecer el equilibrio. La regin de recombinacin que rodea la
unin donde existe el campo elctrico Enp, se denomina regin de
deplexin, o regin de carga de espacio, o regin de transicin
(depletion region; depletion layer) y tiene un espesor del orden de
1 m. La existencia de Enp (que apunta de n hacia p), hace que en la
regin de recombinacin exista una variacin o salto de potencial
elctrico V0 (de unas cuantas dcimas de volt, mayor en n respecto de
p), y por lo tanto hay una barrera de energa potencial
electrosttica eV0 para los agujeros y una barrera -eV0 para los
electrones. (1) Corriente inversa de saturacin Io Es importante
observar que la existencia de esta regin intermedia sin portadores
de carga (ni electrones libres ni agujeros), hace que el
dispositivo no pueda ser conductor. Cuando el dispositivo se
polariza en sentido inverso o de bloqueo (reverse bias), VR < 0
V, aparece un campo elctrico exterior Eext adicional en la misma
direccin (atravesando la unin a lo largo de la regin de
recombinacin). Como en el material tipo-n el potencial
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aplicado externamente es positivo respecto del tipo-p, el campo
Eext sobre todo el material tiene el mismo sentido que Enp, por lo
que el campo elctrico total en la unin es la suma de dos campos
inversos y posee una intensidad (inversa) mayor: ETOTAL = Enp +
Eext. Esto significa que aumenta el ancho de la regin de
recombinacin, la barrera se hace mayor y no puede haber flujo de
cargas. Entonces, a travs de la unin n-p en el cero absoluto (T = 0
K) no hay conduccin en inverso. El estado de no conductor a 0 K con
polarizacin inversa cambia cuando T > 0 K. La presencia del
campo elctrico de los tomos desnudos con energa trmica kT, rompe
algunos enlaces covalentes cercanos, y entonces aparecen pares
agujero-electrn libre generados por la agitacin trmica en ambos
lados de la regin de transicin. El electrn de los pares generados
en el tipo-n se liga a algn in positivo cercano, y el agujero de
los pares generados en el tipo-p se liga a algn in negativo (como
se muestra esquemticamente en la Figura). Por lo tanto, alrededor
de la unin a T > 0 K los agujeros en el tipo-n y electrones en
el tipo-p generados trmicamente, bajo la fuerza del campo elctrico
inverso atraviesan la unin hasta recombinarse (flecha verde). Esto
constituye una pequea corriente inversa IR cuya intensidad con muy
poco voltaje inverso alcanza el valor lmite Io, que es el parmetro
denominado corriente inversa de saturacin del diodo.
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Fig. 13: Representacin esquemtica del origen de la corriente
inversa de saturacin Io en un diodo semiconductor de unin n-p. En
la zona de transicin a T > 0 K, se rompen enlaces generando
pares agujero-electrn. De este modo quedan agujeros entre los iones
positivos del tipo-n y electrones entre los iones negativos del
tipo-p, que se recombinan movidos por el campo elctrico inverso. En
un diodo perfecto Io 0 A, pero en un diodo ideal la teora de
Shockley predice y explica la existencia de Io, observada en los
diodos reales (o prcticos). Esta corriente inversa se desprecia en
muchas aplicaciones, ya que esdel orden de 100 A y 0.1 A en diodos
de Ge y de Si respectivamente. Pero por otro lado, existen otros
dispositivos donde se utiliza la sensibilidad de Io con la
temperatura o bien con la iluminacin (dado que tambin la luz
visible puede romper enlaces covalentes y generar pares
electrn-agujero). (2) Voltaje inverso de ruptura VBR ( VRMax) Si el
voltaje inverso sigue aumentando negativamente, finalmente alcanzar
un voltaje lmite -VBR asociado a otra barrera, a partir de
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la cual comienza una conduccin en sentido inverso. Esta
corriente inversa normalmente destruye al dispositivo, salvo los
especialmente diseados para conducir en ese rgimen hasta un valor
mximo de potencia (denominados diodos Zener). El caso ms comn es
que cuando VR = -VBR los agujeros y electrones generados
trmicamente que componen la corriente adquieren energa suficiente
como para liberar enlaces de electrones de valencia y as producir
nuevos portadores de carga. A su vez, estos nuevos portadores
liberan otros, en un proceso acumulativo denominado "multiplicacin
por avalancha". Pero existe otro mecanismo que origina conduccin
inversa. Si los portadores de carga no tienen energa suficiente
para romper enlaces en las colisiones, igual es posible que se
produzca una "ruptura" (breakdown) al alcanzar un voltaje -VBR
asociado a un campo elctrico inverso suficientemente intenso como
para romper directamente los enlaces. En este caso la conduccin
inversa se denomina zener, y se produce generalmente en diodos
donde el voltaje de ruptura VBR es menor que unos 6 V. En la
prctica, los trminos "Zener" o "ruptura" se utilizan en general, no
solo para los diodos de ruptura sino tambin para los de avalancha
que poseen, en principio, voltajes VBR mucho mayores. En un diodo
perfecto y en un diodo ideal no hay ruptura, es decir, VBR . Pero
en un diodo real VBR es un parmetro muy importante, de valor
finito. (3) Voltaje umbral V En un diodo perfecto y en un diodo
ideal tampoco hay voltaje umbral, es decir, V 0 V. Pero en un diodo
real V tambin es un parmetro muy importante, de valor finito, como
se verifica experimentalmente en las imgenes del cuadrante I de la
curva I vs. V vistas en el trazador de curvas. En efecto, se
observa en las curvas que la conduccin en directo de un diodo de
unin de Si y de un diodo Schottky de Ge es nula o casi despreciable
hasta que el voltaje directo alcanza un valor umbral. Veamos cmo
esto se explica cualitativamente.
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Fig. 14: Representacin esquemtica del cambio en el ancho de la
regin de transicin con las polarizaciones inversa y directa. Cuando
el dispositivo se polariza en sentido directo (forward bias), VF
> 0 V, el campo elctrico exterior Eext que atraviesa la unin a
lo largo de la regin de recombinacin, ahora tiene sentido opuesto
al campo intrnseco Enp, por lo que el campo elctrico total posee
una intensidad menor: ETOTAL = Enp - Eext. Esto significa que el
campo sobre la unin polarizada directamente disminuye el ancho de
la regin de recombinacin y consecuentemente la barrera se hace ms
delgada. Pero si an queda algo del campo intrnseco que el campo
exterior no haya cancelado, persiste parte de la barrera y el
dispositivo sigue en estado "no conductor". El voltaje umbral es el
que produce un campo exterior directo que cancela al campo
intrnseco inverso, y a partir del cual, sin barrera, podr haber
conduccin. ste es entonces el origen del voltaje umbral. Curva
Caracterstica Corriente I vs. Voltaje V del diodo semiconductor
Considerando portadores mayoritarios y minoritarios, el fsico e
inventor estadounidense William Bradford Shockley (1910-1989)
en
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1949 elabor la teora de la unin n-p con su clebre ecuacin para
la corriente inversa Io, que conduce a la expresin de la corriente
I en funcin del voltaje aplicado V (polarizacin inversa o directa),
conocida como Ley del Diodo Ideal de Shockley:
I = Io (e eV/(kT) 1)
donde la corriente inversa de saturacin es
Io = constante x T 2 e-EG0/(kT)
siendo EG0 EG(0K) el valor del gap del material a T = 0 K.
Fig. 15: Representacin esquemtica de las curvas caractersticas
de un rectificador perfecto, un diodo ideal (Ecuacin de Shockley) y
de un diodo semiconductor de unin real. La Ecuacin de Shockley
describe bastante bien el comportamiento para pequeas corrientes de
un diodo ideal de unin n-p de germanio (con EG0
Ge = 0.785 eV), donde dominan las corrientes de
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difusin. Pero en el caso de un diodos de Si o de GaAs, es
necesario hacerle correcciones. Esto se debe a efectos de
superficie, a efectos de "tunelaje" en la unin, y otros fenmenos no
considerados en la deduccin de Shockley. La curva I vs. V del diodo
ideal de unin n-p de silicio crece ms suavemente que la
caracterstica del diodo de Ge. Con las primeras dcimas de voltio de
V, el crecimiento de la corriente directa IF
comienza variando como e eV/(2kT) (en vez de e eV/(kT) como es
para el Ge). Haciendo las correspondientes correcciones, la
caracterstica para el Si resulta:
I = Io (e eV/(nkT) 1)
donde n = 2 cuando domina la recombinacin (corrientes pequeas),
n = 1 cuando domina la difusin (corrientes grandes), 1< n < 2
cuando ambos fenmenos contribuyen apreciablemente, y:
Io = constante x T 3/2 e-EG0/(2kT)
y donde EG0
Si = 1.21 eV.
Por lo tanto las expresiones para un diodo ideal de unin n-p de
germanio y de silicio se pueden sintetizar en una sola ecuacin con
5 parmetros dependientes del material:
I = Io (e eV/(nkT) 1) = constante x T m e-EG0/(kT) (e eV/(nkT)
1)
donde para un diodo ideal de unin n-p de germanio: n = 1 m = 2.0
EG0 = 0.785 eV = 1 mientras que para un diodo ideal de unin n-p de
silicio: (IF grande) 1 n 2 (IF pequea) m = 1.5 EG0 = 1.21 eV
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= 2 Otra forma de expresar I es con EG EG(T) en vez de EG0,
usando que el valor EG del gap decrece en forma aproximadamente
lineal con T, y entonces resulta:
I = constante x T (3+/2) e-EG/(kT) (e eV/(nkT) 1) donde es una
constante que depende del material. A partir del voltaje umbral V,
el diodo conduce en directo, y la cada de voltaje directo VF
(forward voltage-drop) es del orden de 0.3 V hasta aproximadamente
3 V, dependiendo del dispositivo y de la intensidad de la corriente
forward IF. Para los diodos rectificadores usados en aplicaciones
de potencia (generalmente de silicio con V
Si 0.6 V), VF est en el rango 0.7-1.7 V. Por ejemplo, en el
diodo 1N4007 de silicio tpicamente es VF 1.1 V para IF 1 A. En los
diodos Schottky usados en la actualidad como demoduladores en las
radios de AM, la VF tiene que ser baja (para que tengan eficiencia
y rapidez de conmutacin en las aplicaciones de alta frecuencia). En
estos dispositivos VF suele estar en el rango 0.15-
0.45 V. Por ejemplo, en el diodo 1N60 de germanio (con VGe
0.25 V) tpicamente es VF 0.3 V para IF 1 mA. Medicin de EG
usando diodos semiconductores: La ltima expresin es interesante
porque muestra explcitamente que para un diodo de germanio ( = n =
1) o para un diodo de silicio con una corriente directa IF pequea (
= n = 2), y dentro de un rango pequeo de temperaturas cercanas a la
ambiente (T 300 K) donde el trmino T(3+/2) vara mucho menos con T
que e-EG/(kT), y donde e eVF/(nkT) >> 1, se tiene IF
constante x e
-EG/(kT) e eVF/(nkT) = constante x e(eVF -EG)/(nkT)
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de donde resulta que manteniendo la corriente directa IF
constante y pequea (cercana al umbral), T constante x (EG - eVF) A0
+ A1VF Entonces se puede estimar experimentalmente el gap a T 300 K
usando la relacin (lineal) del voltaje directo VF con la
temperatura T del material del diodo semiconductor (alrededor de la
temperatura ambiente), a partir del cociente EG/e = -A0/A1 entre la
ordenada al origen A0 y (menos) la pendiente -A1, como se describe
en el Apndice "Medicin del gap de un semiconductor" del artculo El
Semiconductor (Tipo-n y Tipo-p), usando un diodo de unin n-p 1N4007
para el Si, y un diodo Schottky 1N60 para el Ge. Tres comentarios
ms: Las uniones entre dos materiales elctricos diferentes, tienen
otras aplicaciones. (1) Cuando se ponen en contacto dos metales
diferentes ... se forma un rectificador? Los metales (puros y
aleaciones) tienen electrones libres (disponibles para la conduccin
elctrica) con diferentes energas, dependiendo de la temperatura y
de los niveles electrnicos de la banda de valencia de cada metal.
Qu ocurre entonces cuando se ponen en contacto 2 metales
diferentes? Hay una barrera de potencial? Cuando se ponen en
contacto migran electrones de un metal al otro hasta que un campo
elctrico equilibre el gradiente de concentracin en la unin,
provocando la aparicin de un voltaje (potencial de contacto o
potencial termoelctrico Seebeck) aproximadamente proporcional a la
temperatura de la unin. La unin metal-metal se llama termopar y es
una clase de dispositivos muy importantes, con gran aplicacin en
termometra como transductores de temperatura a voltaje. Por
ejemplo, el termopar tipo-K est formado por el par de aleaciones
denominadas chromel (90%Ni-10%Cr) y alumel (95%Ni-2%Mn-2%Al-1%Si).
El chromel resulta positivo respecto del alumel y la sensibilidad
del termopar tipo-K es 41 V/oC. Pero un termopar no es un
rectificador, ya que ninguno de los dos metales constituyentes
tiene gap. S es asimtrico (debido al potencial Seebeck que tiene
una polaridad definida), pero no es un
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rectificador, pues conduce fcilmente en ambos sentidos. (2) Los
terminales metlicos en los extremos de un diodo de unin n-p, forman
dos rectificadores Schottky? Lgicamente aparecern dos potenciales
de contacto en estas uniones metal-semiconductor adicionales, en
los extremos del diodo semiconductor n-p. Sin embargo estas uniones
se fabrican para que no rectifiquen, para que sean simplemente un
contacto resistivo. Cuando se tiene este tipo de unin, que es
independiente del sentido y de la intensidad de la corriente, en
vez de llamarse "unin", se la denomina contacto hmico. En general
se reserva la denominacin "unin" para la existencia de una "barrera
de energa potencial", que produce la rectificacin. (3) El fenmeno
inverso al Seebeck es el Efecto Peltier, descubierto en uniones
metal-metal a travs de las cuales se obliga a circular una
corriente elctrica. La aplicacin de este efecto termoelctrico en
refrigeradores termoelctricos sin partes mviles se hizo prctica ms
de un siglo despus de su descubrimiento, pero usando
semiconductores. Varios pares de elementos tipo-n y tipo-p
fuertemente dopados, se conectan formando un mdulo generador
termoelctrico (TEG, ThermoElectric Generator). Los elementos se
interconectan (en serie y en paralelo) alternadamente y con lminas
metlicas, y el TEG queda compuesto por contactos hmicos
metal-semiconductor tipo-n y contactos hmicos metal-semiconductor
tipo-p. La generacin y absorcin de calor est asociada a la
diferencia de energa potencial elctrica de los portadores en uno y
otro tipo de semiconductor. 5-MISCELNEAS Rectificador con Piedra
Galena: Un diodo que se adelant medio siglo ! A principios del
Siglo XX, la Humanidad se encontraba asombrada tanto por la magia
de La Radio como por el misterio de la (rectificacin mediante la)
"piedra galena". La Radio Galena fue un receptor de radio con los
mnimos componentes que adquiri ese nombre justamente porque su
diodo detector se construy mediante un metal en contacto con una
piedra galena, que es sulfuro de plomo (PbS), el principal mineral
natural del plomo, con estructura cristalina cbica y
comportamiento
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semiconductor. El efecto "rectificador de puntas de contacto" en
cristales haba sido descubierto en 1874 por el fsico e inventor
alemn Karl Ferdinand Braun (1850- 1918), quien observ la
dependencia de la resistencia con la polaridad del voltaje aplicado
y con el detalle de las condiciones en la superficie de contacto,
publicado en Ann. Phys. Chem., 153, 556 (1874). Mucho ms tarde, en
los comienzos de la comunicacin con RF, el fsico, bilogo, botnico,
arquelogo, inventor y escritor de ciencia ficcin bengal Jagadish
Chandra Bose (1858-1937), en sus experimentos con microondas de
1894 implement la idea de demodular ondas de radio con un cristal
semiconductor. En 1901 Bose present una patente de un detector de
radio AM con piedra galena, un diodo de unin
conductor-semiconductor ( U.S. Patent 775,840 (1904) ). Este diodo
metal-galena fue el primer componente electrnico de la Historia !.
As naci tambin la primera radio con detector a galena, la "Radio
Galena". Finalmente, Braun comparti con Marconi el Premio Nobel de
Fsica 1909 por sus contribuciones a la "telegrafa sin alambres". El
diodo con piedra galena fue un dispositivo completamente anacrnico.
Por un lado se adelant a la teora necesaria para comprender su
funcionamiento, ya que era un componente cuntico de la Electrnica
de Estado Slido que empezara a desarrollarse medio siglo despus ! Y
por otro lado, comenz a utilizarse a principios del Siglo XX,
cuando no exista ni siquiera la Electrnica (todava no se inventaban
las vlvulas termoinicas !!). Tena todas las ventajas (respecto de
las vlvulas) que tendran los dispositivos de estado slido "del
futuro", como por ejemplo ser liviano, pequeo, compacto, econmico,
sin calefaccin y de bajo consumo, casi sin desgaste ni fallas,
miniaturizable e integrable, fabricable y soldable automticamente y
en serie. Los primeros dispositivos rectificadores utilizaban un
metal (como el oro) o grafito, en contacto con una galena. Fue la
primera forma del diodo de estado slido, llamado entonces
"rectificador de contacto" o "rectificador de punto". Adems de
hacerse con galena, tambin se fabric con un xido de cobre (Cu) y
tambin con selenio (Se). Despus de la patente de 1904 del diodo
metal-galena, basndose en el trabajo de Braun de 1874, el inventor
estadounidense Greenleaf Whittier Pickard (1877-1956) desarroll y
patent en 1906 el diodo "bigote de gato" (cat's whisker), con un
alambrecito de 0.255 mm de dimetro (AWG 30, el "bigote"), de bronce
fosforado (cobre con
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3.5-10% de estao y 1% de fsforo), en contacto con un cristal de
silicio fundido. Este diodo se utiliz como detector de AM
aproximadamente entre 1906 y los aos 1940s, y la Radio Galena pas a
llamarse tambin "Radio de Cristal". Generalmente, cuando en la
actualidad alguien dice haber armado una radio galena, en realidad
se refiere a una radio de cristal, cuyo rectificador es un diodo
Schottky comercial. El diodo Schottky ha estado presente en toda la
Historia de la Electrnica y en la actualidad se sigue fabricando y
utilizando igual que antes, como detector, como si el tiempo no
hubiese transcurrido. Es uno de los grandes inventos vigentes de
nuestra Civilizacin, pero que al principio se utiliz durante dcadas
sin conocerse la teora de su funcionamiento. En la Fsica Clsica no
exista el concepto de gap ni de bandas de energas en los slidos.
Por lo tanto, el principio bsico de funcionamiento de un diodo
semiconductor se pudo desarrollar despus de establecerse los
fundamentos de la Fsica Cuntica (1927). Desde el punto de vista
elctrico, la galena es un semiconductor natural con gap pequeo (EG
0.4 eV). Es decir que la unin metal-galena forma un rectificador
donde la barrera metal-semiconductor no es muy alta. Esta barrera
de energa se denomina barrera Schottky en reconocimiento al fsico
terico e inventor alemn Walter Hermann Schottky (1886-1976), quien
extendi la teora del fsico terico ingls Nevill Francis Mott
(1905-1996) (Premio Nobel de Fsica 1977) de 1939 sobre la
rectificacin metal-semiconductor. La barrera de potencial
"semiconductor-semiconductor" de la unin n-p fue descubierta en
1939 por el ingeniero estadounidense Russell Shoemaker Ohl
(1898-1987) quien realiz importantes investigaciones sobre
semiconductores (Todos los diodos, incluidos LEDs y LASERs, son
descendientes del trabajo de Ohl. Su trabajo lo condujo a
desarrollar la primera celda solar de silicio. Present la primera
patente en 1941, "Light-Sensitive Electric Device", y la obtuvo en
1946). En el mismo tiempo, despus de la Segunda Guerra Mundial, a
un grupo de investigadores de Bell Labs se les encomend buscar una
alternativa de amplificador con elementos de estado slido, para
reemplazar las voluminosas y frgiles vlvulas termoinicas de vidrio,
es decir, desarrollar una nueva tecnologa electrnica (cuando el
nico componente de estado slido era el "viejo" diodo Schottky).
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Uno de ellos, el fsico e inventor estadounidense William
Bradford Shockley (1910-1989), tuvo la idea de modificar la
conductividad de los semiconductores usando un campo elctrico
externo (Ms de 15 aos antes, en 1930, el fsico astraco-hngaro
Julius Edgar Lilienfeld (1882-1963) haba patentado el principio de
lo que ahora se denomina MESFET, transistor por efecto de campo con
unin metal-semiconductor, basado en esa idea, pero aparentemente,
nadie la haba puesto en el contexto de los nuevos semiconductores).
Despus de intenso trabajo, dos de sus colegas, el ingeniero
elctrico John Bardeen (1908-1991) y Walter Houser Brattain
(1902-1987) (ambos fsicos estadounidenses), en 1947 lograron
amplificacin con un transistor de punto de contacto, inventando as
el primer transistor de la Historia. Pero Shockley continu
trabajando en secreto en un transistor diferente. Por un lado busc
un diseo que fuese menos frgil y cuya fabricacin pudiera ser
comercialmente ms viable. Y por otro lado, estudi una mejor
descripcin terica de la conductividad, incluyendo la inyeccin de
portadores minoritarios. Finalmente, en 1949 Shockley estableci la
teora de la curva caracterstica I vs. V de una unin n-p y desarroll
la teora del transistor de unin (BJT, Bipolar Junction Transistor)
que llam "sandwich transistor" ("The Theory of p-n Junctions in
Semiconductors and p-n Junction Transistors" Bell Syst. Tech. J. 28
435 (1949) ) ("Electrons and Holes in Semiconductors" D. Van
Nostrand Princeton, N.J., 1950). Por fin, en 1949 se comprenda el
fenmeno descubierto por Braun 75 aos antes (1874) y que vena siendo
utilizado en la Radio desde el principio del Siglo XX ! Shockley
invent el transistor de unin, lo di a conocer y obtuvo la patente
en 1951. Form su propia compana en 1955 y recibi el Premio Nobel de
Fsica 1956 junto con Brattain y Bardeen en reconocimiento por la
invencin del transistor, algo que cambiara tremendamente las
comunicaciones y la tecnologa de nuestra Civilizacin.
Posteriormente, la teora de la unin n-p fue extendida por C. T.
Sah, R. N. Noyce y el mismo Shockley ("Carrier Generation and
Recombination in p-n Junction and p-n Junction Characteristics"
Proc. IRE 45 1228 (1957) ) y despus por J. L. Moll ("The Evolution
of the Theory of the Current-Voltage Characteristics of p-n
Junctions" Proc. IRE 46 1076 (1958) ). Desafortunadamente, Shockley
hizo que tambin se lo recuerde por sus controvertidas afirmaciones
racistas e ideas acerca del
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mejoramiento de la raza, realizadas en los aos 1960. Un
comentario final: En esos aos (1956-7), el mismo Bardeen, uno de
los 3 inventores del transistor, public junto con los fsicos
tericos estadounidenses Leon N. Cooper (1930 - ) y John Robert
Schrieffer (1931 - ) una serie de artculos explicando la
Superconductividad Tipo-I ("Teora BCS", Bardeen-Cooper-Schrieffer),
por lo que los 3 compartieron el Premio Nobel de Fsica 1972.
Bardeen es la nica persona con 2 Premios Nobel de Fsica (1956 y
1972). REFERENCIAS (1) Sze S M 1981 Physics of Semiconductor
Devices; Second Edition (N.Y.: John Wiley & Sons) (2) Millman J
and Halkias Ch C 1965 Electronic Devices and Circuits (McGraw-Hill)
Traduccin al Castellano: Millman J y Halkias Ch C 1975 Dispositivos
y Circuitos Electrnicos (Madrid: Pirmide) (Un viejo libro de la
poca, cuando a los estudiantes de Ingeniera Electrnica se les
enseaba algo de la Fsica de los dispositivos) (3) Horowitz P Hill W
1989 The Art Of Electronics; 2nd Edition (Cambridge: Cambridge) (4)
Falicov L M 1980 La estructura electrnica de los slidos; Tercera
Edicin (Washington, DC: OEA) Monografa no. 3, Serie de Fsica (5)
McWhorter G and Evans A J 1994 Basic Electronics: Electronic
Devices and Circuits, How They Work and How They Are Used
(Richardson: Master) Radio Shack 62-1394
Apndice "OTROS DIODOS Y DISPOSITIVOS RELACIONADOS"
Adems de los 2 tipos de rectificadores de estado slido ms
simples, los (1) DIODOS RECTIFICADORES de unin n-p, y los
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(2) DIODOS SCHOTTKY, existen muchos otros rectificadores o
dispositivos relacionados, entre los cuales destacamos: (3) diodos
zener, (4) varicap, (5) diodos tnel, (6) CRDs, (7) thyristors y
TRIACs, (8) diodos Shockley y DIACs, y los dispositivos fotnicos:
(9) fotoemisores (LEDs y diodos LASERs), (10) fotodetectores
(fotoconductores y fotodiodos), y (11) fotovoltaicos (fotoceldas
solares). A continuacin se hacen algunos comentarios de cada
uno.
Fig. 1: Smbolos de la mayora de los componentes mencionados en
este artculo. Excepto el primero, todos son componentes de estado
slido (El artculo trata en detalle el segundo y el tercero, el
diodo rectificador y el diodo Schottky). (3) DIODO ZENER o "DE
AVALANCHA" o "DE RUPTURA": Cuando un diodo se polariza en sentido
inverso con un voltaje relativamente alto, se llega al voltaje -VBR
de ruptura (breakdown), a partir del cual comienza una conduccin en
sentido inverso mediante un proceso acumulativo denominado
multiplicacin por avalancha que normalmente destruye el componente.
Pero como esta corriente inversa crece muy abruptamente con el
voltaje (como se ve en la Figura siguiente), se disean dispositivos
capaces de funcionar por avalancha, denominados diodos zener. Estos
diodos pueden ser usados conduciendo indefinidamente en la zona de
ruptura (hasta un cierto lmite de corriente IZmax). Se especifican
por la potencia
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mxima Pmax y el voltaje zener VZ cercano y superior a la ruptura
(entonces IZmax = Pmax/VZ). Polarizado conduciendo inversamente,
este tipo de diodo funciona como regulador de voltaje, y por eso se
lo utiliza como referencia de tensin. En la Figura siguiente se
incluye un esquema donde un diodo zener se usa con una resistencia
serie RS para mantener un voltaje VZ en la salida, a partir de un
voltaje Vi de entrada. Las variaciones en la corriente sobre la
carga sern "absorbidas" (dentro de cierto rango) por el zener.
Fig. 2: Smbolo, curva caracterstica de un zener y un esquema
bsico como regulador de voltaje (Un pequeo zener de 0.5W se
encuentra adherido a la pizarra).
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Fig. 3: Cuadrante III (con los ejes invertidos) de la curva
caracterstica del diodo zener tipo BZX de silicio, de 18V/0.5W
(-2.5mA/div.Y; -4V/div.X) de la Fig. anterior. En el instrumento se
observa un voltaje de ruptura de -VBR -17.6V, que se mantiene
dentro de una subida muy abrupta en la corriente. Existen tambin
dispositivos de 3 terminales denominados "zener programables" que
en realidad son circuitos integrados que funcionan como un zener
pero con un coeficiente de variacin de VZ
con la temperatura 10 veces menor ( 0.01%/oC), y donde el tercer
terminal permite ajustar ("programar") el voltaje VZ dentro de
cierto rango. (4) DIODO VARACTOR o VARICAP (VARIable CAPacitor) o
"DIODO DE SINTONA" (tuning diode): es un diodo fabricado
enfatizando la capacidad de transicin (en vez de minimizarla como
se hace en los dems diodos). Polarizado en sentido inverso, sin
conducir, funciona como un condensador variable controlado por
voltaje. Se usa en circuitos sintonizados automticamente,
osciladores y sintetizadores de frecuencia. (5) DIODO TNEL (o Diodo
"Esaki"): Tienen una unin n-p de materiales fuertemente dopados en
los que resulta una unin muy estrecha (de unos 10 nm).
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Los diodos de unin n-p comunes tienen una concentracin de
aproximadamente 1 por 108 impurezas ( 0.000 001 %), con lo que la
barrera de potencial en la unin resulta con un ancho de unas 5
micras ( 5 x 10-6 m 5000 nm). Pero si la concentracin de tomos de
impurezas es muy grande, por ej. de 1 por 103 impurezas ( 0.1 % que
corresponde a una densidad superior a 1019/cm3), el ancho de la
barrera se reduce a unos 10 nm y la fsica del dispositivo cambia
totalmente. Los diodos Esaki funcionan mediante un fenmeno
completamente cuntico y asombroso: el Efecto Tnel. La caracterstica
asombrosa de un diodo tnel es que en un cierto intervalo de su
curva caracterstica I vs. V posee resistencia negativa. Esta
propiedad se utiliza en osciladores y circuitos de disparo de
frecuencias ultra altas (UHF, 0.3-3 GHz). El diodo tnel fue
inventado y difundido en 1958 por el fsico terico japons Reona
Esaki (1925- ) (ms conocido como "Leo" Esaki). Esaki explic el
comportamiento anmalo de la curva I vs. V mediante el Efecto Tnel
("New Phenomenon in Narrow Germanium p-n Junctions", Phys. Rev.
109, 603 (1058) ), y recibi el Premio Nobel de Fsica 1973, junto
con el fsico terico estadounidense Ivar Giaever (1929- ) y el fsico
terico gals Brian David Josephson (1940- ), por sus descubrimientos
sobre el Efecto Tnel de electrones en slidos. Nota: El diodo tnel
es solo un miembro de una gran "familia" de dispositivos para
microondas (1-300GHz), que en general se pueden clasificar como
dispositivos bipolares y unipolares, dispositivos por efecto tnel,
diodos Transit-Time y dispositivos de Transferred-Electron. Algunos
de los ms conocidos son el diodo varactor, el diodo p-i-n, el BJT,
el diodo de contacto, el diodo Schottky y el diodo tnel. Pero hay
muchos ms, como por ejemplo los diodos backward, IMPATT, BARITT y
TRAPATT. Uno muy importante es el diodo Gunn o TED
(Transferred-Electron Device). Es un dispositivo semiconductor
tipo-n con 3 regiones, donde los electrodos se conectan en la
superior y la inferior. Estas regiones estn fuertemente dopadas
para tener alta conductividad; la superior est cubierta de oro (por
su alta estabilidad y conductividad) y la inferior est sobre el
electrodo metlico que sirve como disipador de calor. La regin
central es de unos 10m, est menos dopada y representa la regin
activa. Cuando se aplica una corriente DC, sobre la regin central
aparece un gradiente de voltaje que se torna oscilante a
frecuencias de microondas. Esto fue descubierto en la IBM por el
fsico egipcio
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John Battiscombe (J.B.) Gunn (1928-2008) (ms conocido como "J.
B. Gunn" o "Ian Gunn") en 1963, en GaAs o InP ("Microwave
Oscillation of Current in III-V Semiconductors", Solid State
Commun. 1, 88 (1963) ). Desde entonces, usar un diodo Gunn es el
mtodo ms fcil y econmico de producir seales de microondas. (6)
"DIODO REGULADOR DE CORRIENTE" CRD (Current Regulating Diode) o
"Diodo limitador de corriente" CLD (Current Limiting Diode) o
"Diodo por Efecto de Campo" FED (Field-Effect Diode): es un
Transistor Unipolar de Unin por Efecto de Campo (JFET, Junction
Field-Effect Transistor) que se fabrica en el encapsulado de un
diodo (2 terminales), con el terminal G (gate) conectado al
terminal S (source) para que funcionen como reguladores de
corriente de unos pocos miliamps.
Fig. 4: Modelo de un CRD con JFET, su smbolo y curva
caracterstica. El ejemplo muestra un circuito de referencia de
voltaje. Los FETs (JFETs, MESFETs y MOSFETs) y tambin los
transistores bipolares (BJT, Bipolar Junction Transistor) en
ciertas configuraciones se utilizan como rectificadores con alguna
funcin especfica. Pero no es el objetivo de este artculo detallar
ese tema, el cual tambin es demasiado amplio.
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(7) "RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO", SCR (Silicon
Controlled Rectifier), o "TIRISTOR" (Thyristor, de
THYRatron-transISTOR): Es un dispositivo de 4 capas (npnp), que
adems del A y el K tiene un tercer terminal denominado puerta o
gate, "G". El Thyristor es un diodo controlado, la versin en estado
slido de la antigua vlvula Thyratron. Funciona como un diodo
rectificador pero que solo comienza a conducir cuando se aplica una
"seal de disparo" (triggering) en G. Existen muchos componentes
parecidos al SCR. Algunos son disparados por luz (como los LASCR,
Light Activated SCRs). La versin bidireccional para AC del SCR
tiene 5 capas y se denomina TRIAC (TRIode for AC). Entre las
principales aplicaciones, se encuentran circuitos de encendido,
adaptadores de 200-240V a 100-120V, y variadores de potencia por
ngulo de fase, en controladores de velocidad y de iluminacin.
Fig. 5: Smbolo y curva caracterstica de un triac (Uno tpico se
encuentra adherido a la pizarra). En la Figura siguiente se muestra
el smbolo del SCR y el smbolo del triac, en circuitos bsicos donde
una fuente DC y otra AC "alimentan" a una carga a travs del
respectivo dispositivo de
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conmutacin. En la parte inferior derecha se muestran dos
tiristores conectados en "anti-paralelo" (back-to-back), indicando
que la funcin del triac puede ser implementada con dos SCRs de ese
modo.
Fig. 6: Esquemas bsicos de un thyristor y un triac (sin incluir
los circuitos de disparo), que conectan una fuente DC y otra AC
respectivamente, con una carga resistiva. Nota: Algunas de las
aplicaciones de los semiconductores, haban sido funciones
desarrolladas con la Electrnica anterior, de vlvulas termoinicas.
Por ejemplo el thyratron se us como rectificador controlado, y los
diodos termoinicos se usaron en rectificadores de voltaje, como
compuertas lgicas, en multiplicadores de voltaje y como
demoduladores de AM. (8) DIODO SHOCKLEY: Es un diodo de 4 capas
(npnp), precursor del SCR. Tiene un estado off como un SCR abierto,
pero cuando el voltaje directo supera cierto umbral, conmuta
bruscamente a un estado on como el de un diodo rectificador (pero
con una cada de voltaje superior). Su curva caracterstica es como
la de un varistor asimtrico. Se usa como elemento de disparo de los
SCR. El DIAC (DIode for AC) es la versin bidireccional del
Shockley, que tiene 5 capas y se utiliza como elemento de disparo
del triac.
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Nota: La "familia" de dispositivos de conmutacin y disparo
(DC/AC switching and triggering devices) es muchsimo ms numerosa.
Sin embargo no se mencionan otros componentes para no extender ms
este Apndice. Los siguientes elementos son los dispositivos
fotnicos, en los cuales los fotones (partculas de luz) tienen mayor
importancia. Se dividen en los 3 grupos siguientes: Fotoemisores,
Fotodetectores y Fotovoltaicos. (9) FOTOEMISORES que convierten
energa elctrica en radiacin ptica (como los LEDs y los diodos
LASERs) mediante el paso de corriente elctrica a travs de una
substancia. Este fenmeno se denomina Electroluminiscencia y fue
descubierto en 1907 por uno de los pioneros de La Radio y asistente
de Marconi, el Capitn ingls Henry Joseph Round (1881-1966). El
dispositivo fotnico ms difundido es el rectificador conocido como
DIODO EMISOR DE LUZ, "LED" (Light-Emitting Diode). Es un
fotodispositivo de 2 terminales diseado para emitir radiacin
electromagntica cuando est polarizado directamente y conduciendo
por sobre el valor umbral V (generalmente superior al volt,
dependiendo del dispositivo, principalmente la longitud de onda
emitida). A continuacin, con el trazador de curvas se muestran las
curvas caractersticas directas (a temperatura ambiente) de dos "LED
LAMPs", que tienen en comn las siguientes especificaciones: Color:
verde-amarillo (Yellow Green) Longitud de onda dominante: d = 573
nm Material: GaP/GaP Voltaje directo: VF = 2.3 V @ 20 mA y en ambos
se observa en el trazador un umbral cercano a 1.84 V. El primero es
un BVL-501G1D: Dimetro: 5 mm Intensidad luminosa: IV = 30 mcd @ 10
mA Color de la lente: Verde traslcido (Green Diffused) ngulo
visual: 25o, y el segundo es un BVL-300G1G:
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Dimetro: 3 mm Intensidad luminosa: IV = 18 mcd @ 10 mA Color de
la lente: Transparente (Water Transparent) ngulo visual: 45o
Fig. 7: Cuadrante I de la curva caracterstica del LED de 5 mm
BVL-501G1D color verde-amarillo. En el instrumento se observa un
voltaje umbral de V 1.84 V (25mA/div.Y; 1V/div.X).
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Fig. 8: Cuadrante I de la curva caracterstica de otro LED
verde-amarillo, el BVL-300G1G de 3 mm, en el que tambin se observa
un umbral cercano a 1.84 V (25mA/div.Y; 1V/div.X). En comparacin
con la luz emitida por las ampolletas incandescentes, la luz de un
LED es aproximadamente monocromtica (i.e., un solo color, longitud
de onda y frecuencia) dentro de cierta dispersin que suele estar
entre 10 y 50 nm de ancho. Se desarroll comercialmente desde 1962
como emisor de luz roja. En la actualidad hay emisores de radiacin
infrarroja (IR), visible (VIS) y ultravioleta (UV). En general
cubren el espectro desde IR cercano hasta UV cercano (desde 1500
hasta 300 nm).
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Fig. 9: Diagrama esquemtico de un circuito bsico con un LED. Se
muestra la recta de carga cuya interseccin con la curva
caracterstica del LED determina el punto de trabajo del
dispositivo. Se muestra el clculo de la resistencia limitadora. Al
comienzo, los LEDs tpicos alcanzaron solamente una intensidad
luminosa entre 1 y 20 milicandela (mcd) y en colores hasta el
verde. Pero en las ltimas dcadas se han podido desarrollar LEDs de
alta intensidad (con miles de mcd) y LEDs azules, violeta y UV de
bajo costo. En los ltimos aos hemos visto la utilizacin de LEDs de
alta intensidad de color rojo, amarillo y verde en luces para el
trnsito (semforos), y de luz blanca en linternas de bolsillo. Se
piensa que en un futuro cercano alcanzarn un rendimiento lo
suficientemente alto y un costo lo suficientemente bajo, como para
poder reemplazar en todas las aplicaciones ms comunes a las
ampolletas con filamentos incandescentes y a los tubos
fluorescentes. Los trabajos de investigacin realizados entre 1954 y
1970 condujeron al desarrollo del primer DIODO LASER (Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation). El rango de
radiacin LASER va desde 300 nm hasta 30 m (es decir, desde el UV
cercano hasta el IR lejano). Mientras que el ancho espectral de un
LED est entre 10 y 50 nm, la luz o radiacin emitida de un LASER
(adems de coherencia espacial y temporal) es
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prcticamente monocromtica, con una dispersin mucho menor (entre
0.01 y 0.1 nm). En relacin a otros tipos de LASER, los diodos LASER
(es decir, los LASER semiconductores) tienen diferencias
importantes: (i) la radiacin se debe a propiedades de bandas en
slidos, (ii) son muy compactos (menos de 1 mm !), (iii) las
caractersticas espectrales y espaciales son fuertemente
dependientes de la unin (gap, impurezas y variaciones del ndice de
refraccin), y (iv) la emisin se produce simplemente por el paso de
la corriente (electroluminiscencia), lo que facilita la modulacin
para su uso en comunicaciones. Debido a su reducido tamao y su
capacidad de ser modulado a alta frecuencia, los diodos LASER son
considerados la fuente de luz ms importante en los sistemas de
comunicaciones mediante fibras pticas. (10) FOTODETECTORES que
detectan seales pticas a travs de procesos electrnicos. La deteccin
consiste en: (i) absorcin de luz incidente con la consecuente
generacin de portadores de carga (proceso denominado
"fotoexcitacin"), y luego (ii) transporte y/o multiplicacin. Hay
fotodetectores que no son diodos, sino FOTOCONDUCTORES fabricados
como pelculas delgadas o una pieza de material masivo de material
semiconductor con electrodos metlicos en los extremos. En estos
dispositivos la luz incidente absorbida aumenta el nmero de
portadores de carga, y esto corresponde a una mayor conductividad
elctrica. La fotoexcitacin puede ser "intrnseca", donde un electrn
de la Banda de Valencia (B.V.) es llevado a la Banda de Conduccin
(B.C.) a travs del gap, o "extrnseca", donde los electrones son
llevados desde la B.V. a un nivel dentro del gap, o bien, desde un
nivel dentro del gap a la B.C. Esos niveles dentro del gap son
provistos por las impurezas del material. Otro de los
fotodetectores importantes es el FOTODIODO, que es otro tipo de
fotodispositivo de 2 terminales, rectificador, diseado para captar
y convertir una radiacin IR, VIS o UV en una corriente elctrica
("fotocorriente"). Esquemticamente es un generador de corriente que
depende de los fotones absorbidos de cierta longitud de onda. Uno
de los parmetros ms importantes de un fotodispositivo es la
eficiencia cuntica, que es el nmero de pares agujero-electrn
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generados por cada fotn incidente. Para aumentar este nmero, la
regin de recombinacin (depletion region) de la unin n-p debe ser lo
suficientemente gruesa. Pero por otro lado, esta regin debe ser lo
suficientemente delgada para operar a alta velocidad (en la
deteccin de fotones de alta frecuencia). Por lo tanto, su diseo es
"una solucin de compromiso" entre eficiencia cuntica y alta
velocidad. Hay dos modos de utilizar estos dispositivos. El
fotodiodo en Modo Fotovoltaico (PV, PhotoVoltaic Mode), trabaja sin
polarizacin (unbiased). Su respuesta tiene menos variaciones con la
temperatura. Se usa en aplicaciones de baja velocidad (i.e.,
frecuencias no muy altas, hasta unos 350 kHz) y para detectar
niveles ultra bajos de luz. En cambio el fotodiodo en Modo
Fotoconductivo (PC, PhotoConductive Mode), posee polarizacin
inversa (reverse bias), que se utiliza para reducir el tiempo de
trnsito de los portadores de carga, y la capacitancia de transicin
del diodo. Esto mejora la velocidad y la linealidad del dispositivo
(pero "se paga el precio" de tener mayor corriente de obscuridad y
de ruido). Hay muchos fotodetectores ms, como por ejemplo:
-Fotodiodos de unin p-i-n (con una capa intrnseca intermedia),
-Diodos de unin metal-semiconductor para VIS y UV, -Fotodiodos
heterojunction formado entre 2 semiconductores de diferente gap,
-Fotodiodos de avalancha, -Fototransistor bipolar, y
-Fototransistor por efecto de campo. El FOTOTRANSISTOR (tanto el
bipolar como el unipolar FET) tiene 2 3 terminales, y esencialmente
es un transistor con un fotodiodo (conectado entre colector y base,
C y B, o entre drenador y puerta, D y G). El fotodiodo capta la
radiacin, la convierte en fotocorriente, la "inyecta" en el
electrodo de control (B o G), y el transistor la amplifica. (11) El
ltimo grupo de dispositivos fotnicos es el grupo de los
FOTOVOLTAICOS que convierten radiacin ptica en energa elctrica. Una
FOTOCELDA: es otra clase de fotodispositivo con 2 terminales,
diseado para producir energa elctrica cuando recibe luz solar.
Utilizan el efecto fotovoltaico mediante el cual un fotn de luz con
energa igual o superior al gap del semiconductor, es absorbido
generando un par electrn-agujero (Si el fotn no tiene energa mayor
o igual que la del gap, no puede ser absorbido. Pero si la energa
es mayor y el fotn es absorbido, el exceso de energa es convertido
en calor en el seno del material).
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Hay que notar, que para captar ms luz, el tamao de las celdas
solares es mucho mayor (que el de los fotodiodos, los que deben ser
pequeos para tener menor capacitancia de transicin). Algunos de los
fotones que pueden ser absorbidos, se pierden por reflexin en la
superficie frontal, o por transmisin a travs de la fotocelda. Los
PANELES SOLARES son conjuntos o arreglos de fotoceldas conectadas
en serie (para aumentar el voltaje) y en paralelo (para aumentar la
corriente), que deben implementarse con un circuito en el que cada
fotocelda opere en su punto de potencia mxima. Tambin hay toda una
gran "familia" de dispositivos relacionados a los rectificadores
denominados optoacoplados, donde algunos tienen en la salida
componentes similares a los mencionados (como BJTs, FETs, SCRs y
TRIACs) que son excitados o disparados con luz DC por un LED, o
disparados en AC con 2 LEDs en anti-paralelo. Los LEDs de entrada
estn acoplados pticamente en el mismo chip manteniendo una aislacin
elctrica superior a los 7kV entre la entrada y el dispositivo de
salida. Pero este tema (que es muy interesante, importante, y hasta
divertido), tampoco es el objetivo de este artculo. CMO HACER
REFERENCIA A ESTE ARTCULO Giordano J L 2010 Cmo funcionan las
cosas: Diodo Semiconductor (Diodo de unin n-p y diodo Schottky)
(Santiago: http://www.profsica.cl)
http://www.profisica.cl/comofuncionan/como.php?id=XX (Consulta: Mes
Da, Ao) OTROS ARTCULOS DE J. L. GIORDANO
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