El diodo semiconductor es ampliamente utilizado en ingeniería eléctrica y electrónica. Con su bajo costo y buena relación potencia-tamaño, reemplazó rápidamente a los dispositivos de vacío con un propósito similar.
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El dispositivo y principio de funcionamiento de un diodo semiconductor.
Un diodo semiconductor consta de dos regiones (capas) hechas de un semiconductor (silicio, germanio, etc.). Una región tiene un exceso de electrones libres (semiconductor n), la otra tiene una deficiencia (semiconductor p); esto se logra dopando el material base. Entre ellos hay una pequeña zona en la que un exceso de electrones libres del sitio n "cierra" los agujeros del sitio p (la recombinación ocurre debido a la difusión), y no hay portadores de carga libres en esta región. Cuando se aplica un voltaje directo, la región de recombinación es pequeña, su resistencia es pequeña y el diodo conduce la corriente en esta dirección. Con voltaje inverso, la zona libre de portadores aumentará, la resistencia del diodo aumentará. No fluirá corriente en esta dirección.
Tipos, clasificación y designación gráfica en esquemas eléctricos
En el caso general, el diodo en el diagrama se indica como una flecha estilizada que indica la dirección de la corriente. La imagen gráfica condicional (UGO) del dispositivo contiene dos conclusiones: ánodo y cátodo, que en conexión directa se conectan al más del circuito eléctrico y al menos, respectivamente.
Hay una gran cantidad de variedades de este dispositivo semiconductor bipolar que, según el propósito, pueden tener UGO ligeramente diferentes.
Diodos Zener (diodos Zener)
Un diodo zener es un dispositivo semiconductor.operando a voltaje inverso en la zona de ruptura de avalancha. En esta región, el voltaje del diodo Zener es estable en un amplio rango de corriente a través del dispositivo. Esta propiedad se utiliza para estabilizar el voltaje a través de la carga.
Estabilizadores
Los diodos Zener hacen un buen trabajo al estabilizar voltajes de 2 V y más.Los estabilizadores se utilizan para obtener un voltaje constante por debajo de este límite. El dopaje del material del que están hechos estos dispositivos (silicio, selenio) logra la mayor verticalidad de la rama directa de la característica. En este modo, los estabilizadores funcionan, emitiendo un voltaje ejemplar en el rango de 0.5 ... 2 V en la rama directa de la característica de voltaje de corriente en voltaje directo.
Diodos Schottky
El diodo Schottky está construido de acuerdo con el esquema de metal semiconductor y no tiene una unión convencional. Debido a esto, se obtuvieron dos propiedades importantes:
- caída de tensión directa reducida (alrededor de 0,2 V);
- aumento de las frecuencias de funcionamiento debido a una disminución de la autocapacitancia.
Las desventajas incluyen valores aumentados de corrientes inversas y tolerancia reducida al nivel de voltaje inverso.
varicaps
Cada diodo tiene una capacitancia eléctrica. Las placas del capacitor son dos cargas espaciales (regiones p y n de semiconductores), y la capa de barrera es el dieléctrico. Cuando se aplica un voltaje inverso, esta capa se expande y la capacitancia disminuye. Esta propiedad es inherente a todos los diodos, pero para los varicaps, la capacitancia se normaliza y se conoce para límites de voltaje dados. Esto hace posible el uso de dispositivos tales como condensadores variables y aplicar para ajustar o afinar circuitos suministrando voltaje inverso de varios niveles.
diodos de túnel
Estos dispositivos tienen una desviación en la sección recta de la característica, en la que un aumento de voltaje provoca una disminución de corriente. En esta región, la resistencia diferencial es negativa.Esta propiedad hace posible el uso de diodos túnel como amplificadores y generadores de señales débiles a frecuencias superiores a 30 GHz.
dinistores
Dinistor - tiristor de diodo - tiene una estructura p-n-p-n y un CVC en forma de S, no conduce corriente hasta que el voltaje aplicado alcanza el nivel de umbral. Después de eso, se enciende y se comporta como un diodo normal hasta que la corriente cae por debajo del nivel de mantenimiento. Los dinistores se utilizan en electrónica de potencia como llaves.
Fotodiodos
El fotodiodo está hecho en un paquete con acceso de luz visible al cristal. Cuando se irradia una unión p-n, surge una fem en ella. Esto le permite utilizar el fotodiodo como fuente de corriente (como parte de los paneles solares) o como sensor de luz.
LED
La propiedad principal de un LED es la capacidad de emitir luz cuando la corriente pasa a través de una unión p-n. Este brillo no está relacionado con la intensidad del calentamiento, como una lámpara incandescente, por lo que el dispositivo es económico. A veces se usa el brillo directo de la transición, pero más a menudo se usa como iniciador de la ignición del fósforo. Esto hizo posible obtener colores LED antes inalcanzables, como el azul y el blanco.
Diodos Gunn
Aunque el diodo de Gunn tiene la designación gráfica convencional habitual, no es un diodo en el sentido completo. Porque no tiene unión p-n. Este dispositivo consta de una placa de arseniuro de galio sobre un sustrato metálico.
Sin entrar en los detalles de los procesos: cuando se aplica un campo eléctrico de cierta magnitud en el dispositivo, se producen oscilaciones eléctricas, cuyo período depende del tamaño de la oblea semiconductora (pero dentro de ciertos límites, la frecuencia se puede ajustar por elementos externos).
Los diodos de Gunn se utilizan como osciladores a frecuencias de 1 GHz y superiores. La ventaja del dispositivo es la estabilidad de alta frecuencia y la desventaja es la pequeña amplitud de las oscilaciones eléctricas.
diodos magnéticos
Los diodos ordinarios se ven afectados débilmente por campos magnéticos externos. Los magnetodiodos tienen un diseño especial que aumenta la sensibilidad a este efecto. Están fabricados con tecnología p-i-n con una base extendida. Bajo la acción de un campo magnético, la resistencia del dispositivo en la dirección de avance aumenta, y esto se puede utilizar para crear elementos de conmutación sin contacto, convertidores de campo magnético, etc.
Diodos láser
El principio de funcionamiento de un diodo láser se basa en la propiedad de un par electrón-hueco durante la recombinación bajo ciertas condiciones para emitir radiación visible monocromática y coherente. Los métodos para crear estas condiciones son diferentes, para el usuario solo es necesario conocer la longitud de la onda emitida por el diodo y su potencia.
diodos de avalancha
Estos dispositivos se utilizan en el microondas. Bajo ciertas condiciones, en el modo de ruptura de avalancha, aparece una sección con una resistencia diferencial negativa en la característica del diodo. Esta propiedad de APD les permite ser utilizados como generadores que operan en longitudes de onda hasta el rango milimétrico. Allí es posible obtener una potencia de al menos 1 vatio. A frecuencias más bajas, se eliminan hasta varios kilovatios de dichos diodos.
diodos PIN
Estos diodos están fabricados con tecnología p-i-n. Entre las capas dopadas de semiconductores hay una capa de material no dopado. Por esta razón, las propiedades rectificadoras del diodo empeoran (con voltaje inverso, la recombinación se reduce debido a la falta de contacto directo entre las zonas p y n).Pero debido al espaciado de las regiones de carga espacial, la capacitancia parásita se vuelve muy pequeña, en el estado cerrado, la fuga de señal a altas frecuencias está prácticamente excluida, y los diodos pin se pueden usar en RF y microondas como elementos de conmutación.
Principales características y parámetros de los diodos.
Las principales características de los diodos semiconductores (excepto los altamente especializados) incluyen:
- el voltaje inverso máximo permitido (constante y pulsado);
- frecuencia operativa límite;
- Caída de tensión directa;
- Rango de temperatura de funcionamiento.
El resto de las características importantes se consideran mejor utilizando el ejemplo de las características I-V del diodo; esto es más claro.
Voltio-amperio característico de un diodo semiconductor
La característica corriente-voltaje de un diodo semiconductor consiste en una rama directa e inversa. Están ubicados en los cuadrantes I y III, ya que la dirección de la corriente y el voltaje a través del diodo siempre coincide. De acuerdo con la característica de voltaje de corriente, puede determinar algunos parámetros, así como ver claramente a qué afectan las características del dispositivo.
Tensión de umbral de conducción
Si aplica un voltaje directo al diodo y comienza a aumentarlo, en el primer momento no pasará nada, la corriente no aumentará. Pero a cierto valor, el diodo se abrirá y la corriente aumentará de acuerdo con el voltaje. Este voltaje se denomina voltaje de umbral de conducción y está marcado en el VAC como Uthreshold. Depende del material del que esté hecho el diodo. Para los semiconductores más comunes, este parámetro es:
- silicio - 0,6-0,8 V;
- germanio - 0,2-0,3 V;
- arseniuro de galio - 1,5 V.
La propiedad de los dispositivos semiconductores de germanio para abrirse a bajo voltaje se utiliza cuando se trabaja en circuitos de bajo voltaje y en otras situaciones.
Corriente máxima a través del diodo con conexión directa
Después de que el diodo se ha abierto, su corriente aumenta junto con el aumento del voltaje directo. Para un diodo ideal, este gráfico tiende al infinito. En la práctica, este parámetro está limitado por la capacidad del dispositivo semiconductor para disipar calor. Cuando se alcanza cierto límite, el diodo se sobrecalentará y fallará. Para evitar esto, los fabricantes indican la corriente más alta permitida (en el VAC - Imax). Se puede determinar aproximadamente por el tamaño del diodo y su paquete. En orden descendente:
- la mayor corriente la mantienen los dispositivos en una vaina de metal;
- las cajas de plástico están diseñadas para potencias medias;
- Los diodos en envolventes de vidrio se utilizan en circuitos de baja corriente.
Los electrodomésticos de metal se pueden instalar en radiadores; esto aumentará la potencia de disipación.
Corriente de fuga inversa
Si aplica un voltaje inverso al diodo, un amperímetro insensible no mostrará nada. De hecho, solo un diodo ideal no deja pasar corriente. Un dispositivo real tendrá una corriente, pero es muy pequeña y se denomina corriente de fuga inversa (en el CVC - Iobr). Son decenas de microamperios o décimas de miliamperios y mucho menos que la corriente continua. Puedes encontrarlo en el directorio.
Cortocircuito
A un cierto valor del voltaje inverso, ocurre un fuerte aumento en la corriente, llamado ruptura. Tiene carácter de túnel o avalancha y es reversible. Este modo se utiliza para estabilizar el voltaje (avalancha) o para generar pulsos (túnel).Con un aumento adicional en el voltaje, la ruptura se vuelve térmica. Este modo es irreversible y el diodo falla.
Unión pn de capacitancia parásita
Ya se ha mencionado que la unión p-n tiene capacidad eléctrica. Y si esta propiedad es útil y se usa en varicaps, en los diodos comunes puede ser dañina. A pesar de que la capacidad es unidades o decenas de pF y en corriente continua o bajas frecuencias es imperceptible, al aumentar la frecuencia aumenta su influencia. Unos pocos picofaradios en RF crearán una resistencia lo suficientemente baja para una fuga de señal espuria, se agregarán a la capacitancia existente y cambiarán los parámetros del circuito, y junto con la inductancia de la salida o el conductor impreso formarán un circuito de resonancia espuria. Por lo tanto, en la producción de dispositivos de alta frecuencia, se toman medidas para reducir la capacitancia de la transición.
Marcado de diodos
La forma más fácil de marcar diodos en una caja de metal. En la mayoría de los casos, están marcados con la designación del dispositivo y su pinout. Los diodos en una caja de plástico están marcados con una marca anular en el lado del cátodo. Pero no hay garantía de que el fabricante observe estrictamente esta regla, por lo que es mejor consultar el directorio. Aún mejor, haga sonar el dispositivo con un multímetro.
Los diodos zener domésticos de baja potencia y algunos otros dispositivos pueden tener marcas de dos anillos o puntos de diferentes colores en lados opuestos de la caja. Para determinar el tipo de dicho diodo y su pinout, debe tomar un libro de referencia o encontrar un identificador de marcado en línea en Internet.
Aplicaciones de diodos
A pesar del dispositivo simple, los diodos semiconductores se usan ampliamente en electrónica:
- para alisar voltaje de corriente alterna. Un clásico del género: la propiedad de la unión p-n se utiliza para conducir la corriente en una dirección.
- detectores de diodos Aquí, se utiliza la no linealidad de la característica I–V, que permite aislar los armónicos de la señal, los cuales se pueden distinguir mediante filtros.
- Dos diodos, conectados espalda con espalda, sirven como limitador para señales potentes que pueden sobrecargar las etapas de entrada posteriores de receptores de radio sensibles.
- Los diodos Zener se pueden incluir como elementos a prueba de chispas que no permiten la entrada de pulsos de alto voltaje en los circuitos de sensores instalados en áreas peligrosas.
- Los diodos pueden servir como dispositivos de conmutación en circuitos de alta frecuencia. Se abren con un voltaje constante y pasan (o no pasan) la señal de RF.
- Los diodos paramétricos sirven como amplificadores de señales débiles en el rango de microondas debido a la presencia de una sección con resistencia negativa en la rama directa de la característica.
- Los diodos se utilizan para ensamblar mezcladores que funcionan en equipos de transmisión o recepción. se mezclan señal del oscilador local con una señal de alta frecuencia (o baja frecuencia) para su posterior procesamiento. También utiliza la no linealidad de la característica corriente-tensión.
- La característica no lineal permite el uso de diodos de microondas como multiplicadores de frecuencia. Cuando la señal pasa a través del diodo multiplicador, se resaltan los armónicos más altos. Luego se pueden seleccionar filtrando.
- Los diodos se utilizan como elementos de sintonización para circuitos resonantes. En este caso, se utiliza la presencia de una capacitancia controlada en la unión p-n.
- Algunos tipos de diodos se utilizan como generadores en el rango de microondas. Estos son principalmente diodos de túnel y dispositivos con efecto Gunn.
Esta es solo una breve descripción de las capacidades de los dispositivos semiconductores de doble terminal. Con un estudio profundo de las propiedades y características con la ayuda de diodos, es posible resolver muchos problemas asignados a los desarrolladores de equipos electrónicos.
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