diodos
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Elaborado por: Alex roger Ramirez Souza
DIODOS
DIODO ZENER
Hemos visto que un diodo semiconductor normal puede estar polarizado tanto en directa como inversamente.
En directa se comporta como una pequeña resistencia.En inversa se comporta como una gran resistencia.
Veremos ahora un diodo de especiales características que recibe el nombre de diodo zener
El diodo zener trabaja exclusivamente en la zona de característica inversa y, en particular, en la zona del punto de ruptura de su característica inversa.
Esta tensión de ruptura depende de las características de construcción del diodo, se fabrican desde 2 a 200 voltios. Polarizado en directa actua como un diodo normal y por tanto no se utiliza en dicho estado
EFECTO ZENER
El efecto zener se basa en la aplicación de tensiones inversas que originan, debido a la característica constitución de los mismos, fuertes campos eléctricos que causan la rotura de los enlaces entre los átomos dejando así electrones libres capaces de establecer la conducción. Su característica es tal que una vez alcanzado el valor de su tensión inversa nominal y superando la corriente a su través un determinado valor mínimo, la tensión en bornas del diodo se mantiene constante e independiente de la corriente que circula por él.
Elaborado por: Alex roger Ramirez Souza
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FUNCIONAMIENTO DEL DIODO ZENER
El símbolo del diodo zener es:
y su polarización es siempre en inversa, es decir
Tres son las características que diferencian a los diversos diodos Zener entre si:a.- Tensiones de polarización inversa, conocida como tensión zener.- Es la tensión que el zener va a mantener
constante.b.- Corriente mínima de funcionamiento.- Si la corriente a través del zener es menor, no hay seguridad en que el
Zener mantenga constante la tensión en sus bornasc.- Potencia máxima de disipación. Puesto que la tensión es constante, nos indica el máximo valor de la corriente
que puede soportar el Zener.
Por tanto el Zener es un diodo que al polarizarlo inversamente mantiene constante la tensión en sus bornas a un valor llamado tensión de Zener, pudiendo variar la corriente que lo atraviesa entre el margen de valores comprendidos entre el valor mínimo de funcionamiento y el correspondiente a la potencia de zener máxima que puede disipar. Si superamos el valor de esta corriente el zener se destruye.
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Diodo varactor (Varicap)
Los diodos varactores o varicap han sido diseñados de manera que su funcionamiento sea similar al de un capacitor y tengan una característica capacitancia-tensión dentro de límites razonables.En el siguiente gráfico se muestra las similitudes entre un diodo y un capacitor.
Debido a la recombinación de los portadores en el diodo, una zona de agotamiento se forma en la juntura.Esta zona de agotamiento actúa como un dieléctrico (aislante), ya que no hay ninguna carga y flujo de corriente.
Las áreas exteriores a la zona de agotamiento si tienen portadores de carga (área semiconductor). Se puede visualizar sin dificultad la formación de un capacitor en el diodo (dos materiales semiconductores deparados por un aislante).
La amplitud de la zona de agotamiento se puede ampliar incrementando la tensión inversa aplicada al diodo con una fuente externa.
Esto causa que se aumente la separación (aislante) y separa más las áreas semiconductoras. Este último disminuye la capacitancia.Entonces la capacitancia es función de la tensión aplicada al diodo.-Si la tensión aplicada al diodo aumenta la capacitancia disminuye- Si la tensión disminuye la capacitancia aumenta
Símbolo del diodo varactor
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Diodo LED. Diodo emisor de luz.
Si alguna vez ha visto, unas pequeñas luces de diferentes colores que se encienden y apagan, en algún circuito electrónico, ha visto los diodo LED en funcionamiento. Ver Símbolo del diodo LED
El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz.
Existen diodos LED de varios colores que dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo, entre otros.
Eléctricamente el diodo LED se comporta igual que un diodo de silicio o germanio.Si se pasa una corriente a través del diodo semiconductor, se inyectan electrones y huecos en las regiones P y N, respectivamente.
Dependiendo de la magnitud de la corriente, hay recombinación de los portadores de carga (electrones y huecos). Hay un tipo de recombinaciones que se llaman recombinaciones radiantes (aquí la emisión de luz).
La relación entre las recombinaciones radiantes y el total de recombinaciones depende del Material semiconductor utilizado (GaAs, GaAsP,y GaP)
Dependiendo del material de que está hecho el LED, será la emisión de la longitud de onda y por ende el color. Ver la tabla más abajo
Debe de escogerse bien la corriente que atraviesa el LED para obtener una buena intensidad luminosa y evitar que este se pueda dañar.
El LED tiene un voltaje de operación que va de 1.5 V a 2.2 voltios aproximadamente y la gama de corrientes que debe circular por él está entre los 10 y 20 miliamperios (mA) en los diodos de color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios (mA) para los otros LEDs.
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Los diodos LED tiene enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras comunes, como su bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y con una vida aproximada de 100,000 horas.
El diodo LED debe ser protegido. Una pequeña cantidad de corriente en sentido inverso no lo dañará, pero si hay picos inesperados puede dañarse.
Una forma de protegerlo es colocar en paralelo con el diodo LED pero apuntando en sentido opuesto un diodo de silicio común.
Aplicaciones tiene el diodo LED. Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación específica de funcionamiento.Ejemplos- Se utilizan para desplegar contadores- Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente continua.- Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna.- En dispositivos de alarma, etc.Las desventajas del diodo LED son que su potencia de iluminación es tan baja, que su luz es invisible bajo una fuente de luz brillante y que su ángulo de visibilidad está entre los 30° y 60°. Este último problema se corrige con cubiertas difusoras de luz.
Con los últimos adelantos, en los diodos LED de alta luminosidad, este problema prácticamente ha quedado en el pasado.
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Diodo Tunnel (característica de resistencia negativa)
En el diagrama se ve el símbolo del diodo Tunnel. El diodo Tunnel se comporta de una manera muy interesante conforme se le va aumentando una tensión aplicada en sentido directo.
Cuando se aplica una pequeña tensión, el diodo tunnel empieza a conducir (la corriente empieza a fluir). Si se sigue aumentando esta tensión la corriente aumentará hasta llegar un punto después del cual la
corriente disminuye. La corriente continuará disminuyendo hasta llegar al punto mínimo de un "valle" y .... Después volverá a incrementarse. En esta ocasión la corriente continuará aumentando conforme aumenta la
tensión.
Este comportamiento de la corriente en función de la tensión en el diodo tunnel se puede ver en el siguiente gráfico.
-Vp: Tensión pico- Vv: Tensión de valle- Ip: Corriente pico- Iv: Corriente de valle
La región en el gráfico en que la corriente disminuye cuando la tensión aumenta (entre Vp y Vv) se llama "zona de resistencia negativa"El diodo tunnel se llama también diodo Esaki en honor a su inventor japonés Leo EsakiLos diodos tunnel tienen la cualidad de pasar entre los niveles de corriente Ip e Iv muy rápidamente, cambiando de estado de conducción al de no conducción incluso más rápido que los diodos Schottky.Desgraciadamente, este tipo de diodo no se puede utilizar como rectificador debido a que tiene una corriente de fuga muy grande cuando están polarizados en reversa.Así estos diodos sólo encuentran aplicaciones reducidas como en circuitos osciladores de alta frecuencia.
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Fotodiodo.Diodo detector de luz
El fotodiodo se parece mucho a un diodo semiconductor común, pero tiene una característica que lo hace muy especial: es un dispositivo que conduce una cantidad de corriente eléctrica proporcional a la cantidad de luz que lo incide (lo ilumina).
Luz incidente
Sentido de la corriente generada
Esta corriente eléctrica fluye en sentido opuesto a la flecha del diodo y se llama corriente de fuga.El fotodiodo se puede utilizar como dispositivo detector de luz, pues convierte la luz en electricidad y esta variación de electricidad es la que se utiliza para informar que hubo un cambio en el nivel de iluminación sobre el fotodiodo.Si el fotodiodo quedara conectado, de manera que por él circule la corriente en el sentido de la flecha (polarizado en sentido directo), la luz que lo incide no tendría efecto sobre él y se comportaría como un diodo semiconductor normal.La mayoría de los fotodiodos vienen equipados con un lente que concentra la cantidad de luz que lo incide, de manera que su reacción a la luz sea más evidente.A diferencia del LDR o fotorresistencia, el fotodiodo responde a los cambios de oscuridad a iluminación y viceversa con mucha más velocidad, y puede utilizarse en circuitos con tiempo de respuesta más pequeño.Si se combina un fotodiodo con un transistor bipolar, colocando el fotodiodo entre el colector y la base del transistor (con el cátodo del diodo apuntado al colector del transistor), se obtiene el circuito equivalente de un fototransistor.
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DIODO LASERDiodos láser (LD) son muy utilizados en los sistemas de comunicación por fibra óptica y sus características son de importancia primordial. Así que aquí le damos un resumen de las características del LD.
Todos los láseres e diodo están construidos con materiales semiconductores, y tienen las propiedades características de los diodos eléctricos. Por esta razón reciben nombres como:
Láseres de semiconductor - por los materiales que los componen Láseres de diodo - ya que se componen de uniones p-n como un diodo
Láseres de inyección - ya que los electrones son inyectados en la unión por el voltaje aplicado
La utilización tanto en I+D como comercial de los láseres de diodo ha cambiado dramáticamente en los últimos 20 años. Hoy en día el número de láseres de diodo vendidos en un año se mide en millones, mientras que todos los demás tipos de láser juntos se miden en millares.
De hecho, la familia actual de láseres de diodo es utilizada en productos de alto consumo como: CD -Compact Discs, Impresoras Láser, Escáners y comunicaciones ópticas.
El diodo láser fue inventado en tres laboratorios de investigación en USA de modo independiente. Los investigadores consiguieron radiación electromagnética coherente de un diodo de unión p-n en base al material semiconductor GaAs - Arsenuro de Galio.
Los Semiconductores En general, los sólidos pueden dividirse en tres grupos:
Aislantes - Materiales que no son conductores de la electricidad como cuarzo, diamante, goma o plástico.Conductores- Materiales que son conductores de la electricidad como oro, plata, cobre.Semiconductores- Materiales con una conductividad eléctrica intermedia entre materiales conductores y no conductores .
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Ejemplos: Ge, Si, GaAs, InP, GaAlAs. La conductividad de un semiconductor aumenta con la temperatura ( explicado más tarde ), contrariamente a lo que sucede con los materiales metálicos , cuya conductividad disminuye con la temperatura debido al aumento del nivel vibracional de los átomos.
> Pendiente EficienciaEl P / I curva de la pendiente por encima de Umbral de corriente que se llama la eficiencia de una LD pendiente y es definida como dP / dl. Aquí dP es el cambio en la potencia de salida de luz, y di es el cambio en la corriente hacia adelante a través del diodo. eficacia de la cuesta tiene una unidad de mW / mA.
La figura anterior muestra el poder de un diodo láser de salida óptica frente a la corriente eléctrica inyectada – P / I Curva> <.Como podemos ver, la potencia de salida óptico varía en función de la corriente que pasa a través del diodo. Cuando sesgado por debajo de un umbral de corriente Ith> <, la potencia de salida es muy baja. Pero a medida que la corriente aumenta por encima del umbral Ith>
<, los aumentos de potencia de salida óptico de manera significativa en una pendiente fuerte. corrientes de umbral se encuentran
típicamente en el rango de 25 a 250 mA y la potencia de salida están típicamente en el rango de 1 - 10. mW
Niveles energéticos
En un gas, cada átomo ó molécula está (bajo el punto de vista energético) a gran distancia de sus vecinos, con lo que puede considerarse aislado.
Podemos considerar del mismo modo a unos pocos átomos de un material (que actúan como átomos de impurezas) que son añadidos a un medio homogéneo sólido de otro material.
En contraste con los niveles energéticos separados existentes en un gas o en un pequeño número de átomos de impurezas en un sólido homogéneo, los electrones en un semiconductor están en bandas energéticas, que, efectuando una simulación, se componen de agrupaciones de un gran número de niveles energéticos por efectos cuánticos. Estas bandas de energía corresponden a todo el material, no estando asociadas a un sólo átomo. La anchura de la banda aumenta a medida que decrece la distancia entre los átomos y aumenta la interacción entre ellos.
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Las bandas energéticas en un semiconductor pueden ser de dos tipos:
Banda de Valencia - Los electrones en una banda de valencia están ligados a los átomos del semiconductor. Banda de Conducción - Los electrones en una banda de conducción pueden moverse por el semiconductor.
La separación entre la banda de valencia y la de conducción se denomina la Brecha de Energía, no existiendo ningún nivel energético posible dentro de ésta zona. Si un electrón de la banda de valencia consigue suficiente energía, puede " saltar " la brecha de energía para introducirse en la banda conductora.
Las bandas de energía llenas son aquellos niveles energéticos de los electrones internos, ligados al átomo, que no participan en los enlaces entre los átomos del sólido. Para que un sólido conduzca la electricidad, los electrones necesitan moverse en el sólido.
En un aislante - la banda de valencia está llena de electrones, con lo que los electrones no pueden moverse dentro de la banda. Para que exista una conducción de electricidad, los electrones de la banda de valencia deben pasar a la banda de conducción. En consecuencia, debe suministrarse una energía superior a la brecha de energía a los electrones de la banda de valencia, a fin de conseguir su transferencia a la banda de conducción. Como la brecha de energía es grande, ésta evita el paso, y en consecuencia, los aislantes son poco conductoresLa estructura de los niveles energéticos de un aislante pueden verse en la figura.
Niveles energéticos de un aislante
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Niveles energéticos de un conductor
En un conductor - (metal) Las bandas de valencia y de conducción se sobreponen, por lo que en la práctica la brecha de energía es nula. En consecuencia, los electrones necesitan muy poca energía para pasar a la banda de conducción y conducir la electricidad.
La estructura de los niveles energéticos de un conductor pueden verse en la figura:
Niveles energéticos de un semiconductor
En un semiconductor - la brecha de energía es muy pequeña, por lo que se requiere muy poca energía para transferir los electrones de la banda de valencia a la de conducción. Hasta la temperatura ambiente proporciona la energía suficiente. Aumentando la temperatura, más y más electrones serán transferidos a la banda de conducción
En consecuencia aumenta la conductividad con la temperatura.
La estructura de los niveles energéticos de un semiconductor puede verse en la figura:
Cuando se transfiere un electrón de la banda de valencia a la de conducción, se crea un " agujero " en la banda de valencia. Estos " agujeros " se comportan como cargas positivas que se mueven por la banda de valencia como consecuencia de aplicar un voltaje. En el proceso de la conducción eléctrica participan tanto los electrones que están en la banda de conducción como los " agujeros positivos " que permanecen en la banda de valencia originados por el " salto " de electrones a la banda de conducción.
A fin de controlar el tipo y densidad de los " portadores " de carga en un semiconductor, se añaden impurezas con un número extra de " portadores " de carga al semiconductor. Los átomos de estas impurezas son eléctricamente neutros.
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La construcción de un Diodo Láser
Se enseña la estructura básica en capas de un láser de diodo simple en la figura
Las capas de los materiales semiconductores están dispuestas de modo que se crea una región activa en la unión p-n, y en la que aparecen fotones como consecuencia del proceso de recombinación. Una capa metálica superpuesta a las caras superior e inferior permite aplicar un voltaje externo al láser. Las caras del semiconductor cristalino están cortadas de forma que se comportan como espejos de la cavidad óptica resonante.
Estructura básica de un láser de diodo
En la Figura describe la forma en que la radiación láser electromagnética es emitida para un láser simple de diodo. La radiación láser tiene forma rectangular y se difunde a diferentes ángulos en dos direcciones.
Perfil de la radiación láser emitida por un diodo láser simple
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Sumario de los Láseres de Diodo hasta éste punto:
Los portadores de carga en un láser de diodo son los electrones libres en la banda de conducción, y los agujeros positivos en la banda de valencia.
En la unión p-n , los electrones "caen" en los agujeros , que corresponden a niveles de energía más bajosEl flujo de corriente a través de la unión p-n del láser de diodo ocasiona que ambos tipos de portadores (agujeros y electrones ) se recombinen, siendo liberada energía en forma de fotones de luz.
La energía de un fotón es aproximadamente igual a la de la brecha de energía.La brecha de energía viene determinada por los materiales que componen el diodo láser y por su estructura cristalina.
Curva I-V de un Diodo Láser
Si la condición requerida para la acción láser de inversión de población no existe, los fotones serán emitidos por emisión espontánea. Los fotones serán emitidos aleatoriamente en todas las direcciones, siendo ésta la base de los LED - diodo emisor de luz.La inversión de población sólo se consigue con un bombeo externo. Aumentando la intensidad de la corriente aplicada a la unión p-n, se alcanza el umbral de corriente necesario para conseguir la inversión de población.En la figura 6.26 se muestra un ejemplo de la potencia emitida por un diodo láser en función de la corriente aplicada. Se aprecia enseguida que la pendiente correspondiente a la acción láser es mucho mayor que la correspondiente a un led.
Potencia de emisión de un diodo láser en función de la corriente aplicada.
El umbral e corriente para el efecto láser viene determinado por la intersección de la tangente de la curva con el eje X que indica la corriente (esta es una buena aproximación) Cuando el umbral de corriente es bajo, se disipa menos energía en forma de calor , con lo que la eficiencia del láser aumenta. En la práctica, el parámetro importante es la densidad de corriente, medida en A/cm2, de la sección transversal de la unión p-n.
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Dependencia de los parámetros del diodo láser de la temperatura
Uno de los problemas básicos de los diodos láser es el aumento del umbral de corriente con la temperatura. Los operativos a bajas temperaturas requieren bajas corrientes. A medida que la corriente fluye por el diodo, se genera calor. Si la disipación no es la adecuada, esta temperatura aumenta, con lo que aumenta también el umbral de corriente.
Además, los cambios en temperatura afectan a la longitud de onda emitida por el diodo láser. Este cambio se ilustra en la figura, y se compone de dos partes:
1. Un aumento gradual de la longitud de onda emitida proporcional al aumento de temperatura, hasta que: 2. Se produce un salto a otro modo longitudinal de emisión
cambio de la longitud de onda emitida en función de la temperatura
Debido a estas variaciones con la temperatura, se necesitan diseños especiales para poder conseguir una emisión continua de alta potencia.
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Distintas Estructuras de los Diodos Láser
Hoy en día una estructura habitual es una tira estrecha de la capa activa ( Stripe Geometry - Geometría en tiras ), confinada por todos los lados ( tanto por los lados como por arriba y abajo ) con otro material . Esta familia de láseres se denomina Index Guided Lasers - Láseres orientados al índice
se detallan distintas estructuras de confinamiento utilizadas
Ejemplos de distintos tipos de estructura de confinamiento
Aislando los electrodos metálicos en las partes superior e inferior, se limita la zona por donde pasa la corriente. Como resultado, la inversión de población sólo tiene lugar en la zona específica por donde pasa la corriente.
Un ejemplo está en la figura, en donde un electrodo de tira delgada se sobrepone al material láser. La corriente limita el área en la zona activa en donde puede existir el efecto de amplificación, y ésta sólo podrá existir en ésta zona.
Las ventajas de este tipo de láseres de diodo son:
1. Fáciles de producir.2. Es relativamente fácil conseguir una potencia alta, ya que al
aumentar la corriente aumenta la zona activa
Las desventajas son:
1. La calidad del haz obtenido es menor que con los orientados al índice.
2. Es más difícil conseguir una emisión estable en frecuencia simple.
Diodos Láser orientado a Ganancia - Gain Guided
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Monturas de los Láser de Diodo
Se requieren monturas especiales para los láseres de diodo, debido a su tamaño miniaturizado, para poder ser operativos y cómodos. Existen muchos tipos de monturas, pero quizás el más estándar es similar a un transistor, e incluye en la montura las ópticas necesarias para colimar el haz.
Montura de un láser de diodo comercial Sección perpendicular
Para poder obtener más potencia de los láseres de diodo, se han desarrollado matrices de diodos láser, que emiten sincronizadamente, y que están ópticamente acoplados, de modo que se alcanzan las décimas de vatio.
Ventajas de los diodos láser
Son muy eficientes ( más del 20% de la energía suministrada se consigue en forma de radiación láser ) Son muy fiables Tienen vidas medias muy largas (¡ estimadas en más de 100 años de operación continuada !). Son muy baratos ( se construyen con técnicas de producción en masa utilizadas en la industria electrónica ). Permiten la modulación directa de la radiación emitida, simplemente controlando la corriente eléctrica a través de
la unión p-n. La radiación emitida es función lineal de la corriente , pudiéndose modular a décimas de GHz
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Diodos láser Acoplados
Existen también estructuras especiales en donde dos láseres se acoplan ópticamente. La radiación emitida por el primer láser es transferida al segundo, que es controlado por otra fuente de alimentación. Un ejemplo puede verse en la figura.
Láser de diodo con acoplamiento óptico
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FUENTE DE INFORMACIÓN
Tipos de diodos: características y funcionamiento - Monografias.comwww.monografias.com › IngenieriaDiodo Varactor (Varicap): Este diodo, también llamado diodo de capacidad variable, es, en esencia, un diodo semiconductor cuya característica principal es la ...
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[PDF]
Hoja Técnicawww.morley-ias.es/.../hojastecnicas/ELECTROIMANES.pdfFormato de archivo: PDF/Adobe AcrobatHoja Técnica. Morley-IAS España se reserva el derecho de realizar cualquier modificación sobre el diseño o especificaciones en línea con nuestro continuo ...
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•Tipos de diodos - electronica2000.comwww.electronica2000.com/temas/diodostipos.htmExisten varios tipos de diodos, de algunos ya se habló en otra página y de los cuales haremos mención en esta, con este tipo de componente te vas a encontrar ...
Tipos de diodos -- Página de electrónica de Carlos Díazelectronica.webcindario.com/glosario/diod_tip.htm - EspañaDiodo semejante al diodo IMPATT donde los portadores de carga llamados a atravesar la región de deplexión no provienen de una avalancha sino que son ...