Diodo

La función más común de un diodo es permitir el paso de una corriente eléctrica en una dirección (denominada dirección directa del diodo ), bloqueándola en la dirección opuesta ( dirección inversa ). Su análogo hidráulico es una válvula de retención . Este comportamiento unidireccional permite convertir la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC), un proceso denominado rectificación . Como rectificadores, los diodos pueden utilizarse para tareas como la extracción de modulación de señales de radio en receptores de radio . ^{[ 6 ]}

El comportamiento de un diodo a menudo se simplifica como la existencia de un voltaje umbral directo , voltaje de encendido o voltaje de corte , por encima del cual hay una corriente significativa y por debajo del cual casi no hay corriente, lo cual depende de la composición del diodo:

Esta tensión puede denominarse simplemente caída de tensión directa del diodo o simplemente caída de tensión , ya que, como consecuencia de la pendiente exponencial, la caída de tensión de un diodo no superará significativamente la tensión umbral en condiciones normales de polarización directa. Las hojas de datos suelen indicar una tensión directa típica o máxima (V _F ) para una corriente y temperatura específicas (por ejemplo, 20  mA y 25 ° C para LED), ^{[ 7 ]} de modo que el usuario tenga la garantía de cuándo se activará una determinada cantidad de corriente. A corrientes más altas, la caída de tensión directa del diodo aumenta. Por ejemplo, una caída de 1 V a 1,5 V es típica a la corriente nominal máxima para diodos de potencia de silicio. (Véase también: Rectificador § Caída de tensión del rectificador )    

Sin embargo, la característica exponencial de corriente-voltaje de un diodo semiconductor es en realidad más gradual que esta simple acción de encendido y apagado. ^{[ 8 ]} Aunque la gráfica de la función pueda parecer tener una " codo " definida alrededor de este umbral, esto es simplemente un reflejo de su naturaleza exponencial; no hay nada único en la región que difiera de cualquier otra parte de la gráfica (lo cual se puede ver usando una gráfica semilogarítmica , donde la corriente se representa en una escala logarítmica y el voltaje en una escala lineal).

Dado que la caída de tensión directa de un diodo varía solo ligeramente con la corriente, y depende más de la temperatura, este efecto puede utilizarse como sensor de temperatura o como referencia de tensión algo imprecisa .

La alta resistencia de un diodo a la corriente que fluye en sentido inverso disminuye repentinamente hasta convertirse en una resistencia baja cuando la tensión inversa aplicada al diodo alcanza un valor denominado tensión de ruptura . Este efecto se utiliza para regular la tensión ( diodos Zener ) o para proteger los circuitos de sobretensiones ( diodos de avalancha ).

La característica corriente-tensión de un diodo semiconductor se puede ajustar seleccionando los materiales semiconductores y las impurezas de dopaje introducidas en los materiales durante la fabricación. ^{[ 8 ]} Estas técnicas se utilizan para crear diodos de propósito especial que realizan muchas funciones diferentes. ^{[ 8 ]} Por ejemplo, para sintonizar electrónicamente receptores de radio y televisión ( diodos varactores ), para generar oscilaciones de radiofrecuencia ( diodos túnel , diodos Gunn , diodos IMPATT ) y para producir luz ( diodos emisores de luz ). Los diodos túnel, Gunn e IMPATT presentan resistencia negativa , lo que es útil en circuitos de microondas y de conmutación.

Los diodos, tanto de vacío como semiconductores, pueden utilizarse como generadores de ruido de disparo .

En 1873, Frederick Guthrie observó que una bola de metal al rojo vivo conectada a tierra, al acercarse a un electroscopio, descargaba un electroscopio cargado positivamente, pero no uno cargado negativamente. ^{[ 11 ] [ 12 ]} En 1880, Thomas Edison observó una corriente unidireccional entre elementos calentados y no calentados en una bombilla, posteriormente denominada efecto Edison , y obtuvo una patente para la aplicación de este fenómeno en un voltímetro de corriente continua . ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Unos 20 años después, John Ambrose Fleming (asesor científico de la compañía Marconi y antiguo empleado de Edison) se dio cuenta de que el efecto Edison podía utilizarse como detector de radio . Fleming patentó el primer diodo termoiónico verdadero, la válvula Fleming , en Gran Bretaña el 16 de noviembre de 1904 ^{[ 15 ]} (seguido de la patente estadounidense 803,684 en noviembre de 1905). Durante toda la era de las válvulas de vacío, los diodos de válvula se utilizaron en casi todos los dispositivos electrónicos, como radios, televisores, sistemas de sonido e instrumentación. Poco a poco fueron perdiendo cuota de mercado a partir de finales de la década de 1940 debido a la tecnología de rectificadores de selenio y, posteriormente, a los diodos semiconductores durante la década de 1960. Hoy en día, todavía se utilizan en algunas aplicaciones de alta potencia donde su capacidad para soportar tensiones transitorias y su robustez les confieren una ventaja sobre los dispositivos semiconductores, así como en instrumentos musicales y aplicaciones de audio de alta fidelidad.

En 1874, el científico alemán Karl Ferdinand Braun descubrió la "conducción unilateral" a través de un contacto entre un metal y un mineral . ^{[ 17 ] [ 18 ]} CE Fitts fabricó un rectificador de corriente de selenio hacia 1886 , pero su trabajo no dio lugar a ningún dispositivo práctico hasta la década de 1930. ^{[ 19 ]} El científico indio Jagadish Chandra Bose fue el primero en utilizar un cristal para detectar ondas de radio en 1894, ^{[ 20 ]} y presentó una patente estadounidense para la detección de señales de radio con un diodo semiconductor de contacto puntual de cristal de galena en 1901. ^{[ 19 ]}

El detector de cristal fue desarrollado como un dispositivo práctico para la telegrafía inalámbrica por Greenleaf Whittier Pickard , quien inventó un detector de cristal de silicio en 1903 y recibió una patente para él el 20 de noviembre de 1906. ^{[ 21 ]} Posteriormente fundó una empresa para comercializar detectores de radio de cristal de "bigotes de gato"; probablemente el primero en fabricar y vender dispositivos semiconductores de silicio comerciales. ^{[ 19 ]} Otros experimentadores probaron una variedad de otros minerales como detectores (por ejemplo, Henry Dunwoody recibió una patente usando carburo de silicio más tarde en 1906 y Wichi Torikata obtuvo una patente en 1908). ^{[ 19 ]}

Los desarrolladores de estos primeros rectificadores desconocían los principios de los semiconductores. Durante la década de 1930, la comprensión de la física avanzó y, a mediados de la década de 1930, los investigadores de Bell Telephone Laboratories reconocieron el potencial del detector de cristal para su aplicación en la tecnología de microondas. ^{[ 22 ]} Investigadores de Bell Labs , Western Electric , MIT , Purdue y del Reino Unido desarrollaron intensamente diodos de contacto puntual ( rectificadores de cristal o diodos de cristal ) durante la Segunda Guerra Mundial para su aplicación en radares. ^{[ 22 ]} Después de la Segunda Guerra Mundial, AT&T los utilizó en sus torres de microondas que cruzaban los Estados Unidos, y muchos equipos de radar los utilizan incluso en el siglo XXI. En 1946, Sylvania comenzó a ofrecer el diodo de cristal 1N34. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} A principios de la década de 1950, se desarrollaron diodos de unión.

Hasta finales de la década de 1950, los diodos que utilizaban un contacto puntual de hilo metálico de pequeño diámetro, por ejemplo  , hilo de tungsteno, para conectar con un pequeño cristal semiconductor, se denominaban todos "detectores de cristal" . El contacto podía ser de tipo no soldado o soldado . La construcción de contacto no soldado utiliza el principio de barrera Schottky. El lado metálico es el extremo puntiagudo de un hilo de pequeño diámetro que está en contacto con el cristal semiconductor. ^{[ 32 ]} En el tipo de contacto soldado, se forma una pequeña región P en el cristal, que de otro modo sería de tipo N, alrededor del punto metálico durante la fabricación, al hacer pasar momentáneamente una corriente relativamente grande a través del dispositivo. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

Con la disponibilidad de diodos de tubo de vacío para receptores, los detectores de cristal se utilizaron principalmente para investigación y desarrollo entre 1925 y 1940. La necesidad de un demodulador para aplicaciones de radar y equipos de prueba en las bandas de microondas de hasta 26 GHz llevó al uso de silicio para un detector de cristal por parte de Bell Laboratories , cuya producción comenzó en 1942. ^{[ 22 ] [ 35 ]} Estos detectores de cristal tenían una carcasa de cerámica y requerían ajuste manual del contacto puntual durante la producción. ^{[ 36 ]} Para las bandas de radar típicas de la época, estaban disponibles 1N25 (<1 GHz), 1N21 (<3 GHz) y posteriormente 1N21WE (<12,4 GHz), 1N23 (<9,4 GHz) y 1N26 (<24 GHz).

En febrero de 1946, Silvania Electric introdujo un detector de cristal que utilizaba germanio en lugar de silicio. Los primeros modelos también utilizaban una carcasa de cerámica, por ejemplo, el 1N34, mientras que el modelo posterior, el 1N34A, tenía una carcasa de vidrio. A diferencia de los detectores de cristal de silicio, el diodo 1N34 también podía utilizarse como rectificador para corrientes pequeñas. ^{[ 37 ]} Silvania Electric, que inicialmente denominó a sus diodos «detectores de cristal» ^{[ 38 ]} , posteriormente, en julio de 1946, cambió la denominación a «diodo de cristal» ^{[ 39 ]} y en noviembre de 1947, en las hojas de datos, a «diodos de cristal de germanio» ^{[ 37 ].}

El comportamiento de un diodo semiconductor en un circuito viene dado por su característica corriente-tensión . La forma de la curva está determinada por el transporte de portadores de carga a través de la denominada capa de agotamiento o región de agotamiento que existe en la unión p-n entre semiconductores diferentes. Cuando se crea por primera vez la unión ap-n, los electrones de la banda de conducción (móviles) de la región dopada con N se difunden hacia la región dopada con P, donde hay una gran población de huecos (lugares vacantes para los electrones) con los que los electrones se "recombinan". Cuando un electrón móvil se recombina con un hueco, tanto el hueco como el electrón desaparecen, dejando un donador (dopante) cargado positivamente inmóvil en el lado N y un aceptor (dopante) cargado negativamente en el lado P. La región alrededor de la unión p-n se agota de portadores de carga y, por lo tanto, se comporta como un aislante .

Sin embargo, el ancho de la región de agotamiento (denominado ancho de agotamiento ) no puede crecer indefinidamente. Por cada recombinación de pares electrón-hueco , queda un ion dopante con carga positiva en la región dopada con nitrógeno y se crea un ion dopante con carga negativa en la región dopada con fósforo. A medida que avanza la recombinación y se crean más iones, se desarrolla un campo eléctrico creciente a través de la zona de agotamiento que ralentiza y finalmente detiene la recombinación. En este punto, existe un potencial inherente a través de la zona de agotamiento.

Regiones operativas

La característica corriente-tensión de un diodo se puede aproximar mediante cuatro regiones de funcionamiento. De menor a mayor tensión de polarización, estas son:

• Ruptura : Con una polarización inversa muy alta, más allá del voltaje inverso pico (PIV), se produce un proceso denominado ruptura inversa que provoca un gran aumento de la corriente (es decir, se crea un gran número de electrones y huecos en la unión p-n y se alejan de ella), lo que suele dañar el dispositivo de forma permanente. El diodo de avalancha está diseñado específicamente para su uso en estas condiciones. En el diodo Zener , el concepto de PIV no es aplicable. Un diodo Zener contiene una unión p-n fuertemente dopada que permite que los electrones atraviesen por efecto túnel la banda de valencia del material de tipo p hasta la banda de conducción del material de tipo n, de modo que el voltaje inverso se "limita" a un valor conocido (denominado voltaje Zener ), y no se produce avalancha. Sin embargo, ambos dispositivos tienen un límite en cuanto a la corriente y potencia máximas que pueden soportar en la región de voltaje inverso limitado. Además, tras el final de la conducción directa en cualquier diodo, existe una corriente inversa durante un breve periodo. El dispositivo no alcanza su capacidad de bloqueo total hasta que cesa la corriente inversa.
• Polarización inversa : Para una polarización entre la tensión de ruptura y 0 V, la corriente inversa es muy pequeña y se aproxima asintóticamente a -I _s . En un diodo rectificador P-N normal, la corriente inversa que lo atraviesa se encuentra en el rango de los microamperios (μA). Sin embargo, esto depende de la temperatura, y a temperaturas suficientemente altas, se puede observar una cantidad considerable de corriente inversa (mA o más). También existe una pequeña corriente de fuga superficial causada por electrones que simplemente rodean el diodo como si fuera un aislante imperfecto.

  

• Polarización directa : La curva corriente-tensión es exponencial , aproximándose a la ecuación del diodo Shockley . Al representarla gráficamente con una escala de corriente lineal, aparece un punto de inflexión suave , pero no se observa un voltaje umbral claro en una gráfica semilogarítmica.
• Estabilización : A corrientes directas elevadas, la curva corriente-tensión comienza a estar dominada por la resistencia óhmica del semiconductor. La curva deja de ser exponencial y tiende asintóticamente a una línea recta cuya pendiente es igual a la resistencia del semiconductor. Esta región es particularmente importante para los diodos de potencia y puede modelarse mediante un diodo ideal de Shockley en serie con una resistencia fija.

La ecuación del diodo ideal de Shockley, o ley del diodo (llamada así en honor a William Bradford Shockley, coinventor del transistor de unión bipolar ), modela la relación exponencial corriente-tensión (I-V) de los diodos en polarización directa o inversa moderada. El artículo « Ecuación del diodo de Shockley» ofrece más detalles.

A tensiones directas inferiores a la tensión de saturación, la curva característica tensión-corriente de la mayoría de los diodos no es una línea recta. La corriente se puede aproximar mediante${\displaystyle I=I_{\text{S}}e^{V_{\text{D}}/(nV_{\text{T}})}}$como se explica en el artículo sobre la ecuación del diodo de Shockley .

En aplicaciones de detectores y mezcladores, la corriente se puede estimar mediante una serie de Taylor. ^{[ 42 ]} Los términos impares se pueden omitir porque producen componentes de frecuencia que están fuera de la banda de paso del mezclador o detector. Los términos pares más allá de la segunda derivada generalmente no necesitan incluirse porque son pequeños en comparación con el término de segundo orden. ^{[ 42 ]} El componente de corriente deseado es aproximadamente proporcional al cuadrado de la tensión de entrada, por lo que la respuesta se denomina ley cuadrática en esta región. ^{[ 32 ] : p. 3}

Tras finalizar la conducción directa en un diodo de tipo ap-n, puede circular una corriente inversa durante un breve periodo. El dispositivo no alcanza su capacidad de bloqueo hasta que se agota la carga móvil en la unión.

El efecto puede ser significativo al conmutar grandes corrientes muy rápidamente. ^{[ 43 ]} Puede ser necesario un cierto tiempo de "recuperación inversa" t _r (del orden de decenas de nanosegundos a unos pocos microsegundos) para eliminar la carga de recuperación inversa Q _r del diodo. Durante este tiempo de recuperación, el diodo puede conducir en la dirección inversa. Esto podría dar lugar a una gran corriente en la dirección inversa durante un breve tiempo mientras el diodo está polarizado inversamente. La magnitud de dicha corriente inversa está determinada por el circuito de operación (es decir, la resistencia en serie) y se dice que el diodo está en la fase de almacenamiento. ^{[ 44 ]} En ciertos casos reales es importante considerar las pérdidas que se producen por este efecto de diodo no ideal. ^{[ 45 ]} Sin embargo, cuando la velocidad de cambio de la corriente no es tan severa (por ejemplo, frecuencia de línea) el efecto puede ignorarse con seguridad. Para la mayoría de las aplicaciones, el efecto también es despreciable para los diodos Schottky .

La corriente inversa cesa bruscamente cuando se agota la carga almacenada; esta parada abrupta se aprovecha en los diodos de recuperación escalonada para la generación de pulsos extremadamente cortos.

Los diodos normales (p-n), que funcionan como se describió anteriormente, suelen estar hechos de silicio dopado o germanio . Antes del desarrollo de los diodos rectificadores de potencia de silicio, se utilizaba óxido cuproso y, posteriormente, selenio  . Su baja eficiencia requería la aplicación de un voltaje directo mucho mayor (típicamente de 1,4 a 1,7 V por "celda", con múltiples celdas apiladas para aumentar la tensión inversa máxima nominal para su aplicación en rectificadores de alto voltaje), y requería un disipador de calor grande (a menudo una extensión del sustrato metálico del diodo ), mucho mayor que el que requeriría el diodo de silicio posterior con las mismas corrientes nominales. La gran mayoría de todos los diodos son los diodos p-n que se encuentran en los circuitos integrados CMOS , ^{[ 46 ]} que incluyen dos diodos por pin y muchos otros diodos internos.

diodos de avalancha

Estos diodos conducen en sentido inverso cuando la tensión de polarización inversa supera la tensión de ruptura. Son eléctricamente muy similares a los diodos Zener (y a menudo se les llama erróneamente diodos Zener), pero se rompen mediante un mecanismo diferente: el efecto avalancha . Este efecto se produce cuando el campo eléctrico inverso aplicado a través de la unión p-n provoca una onda de ionización, similar a una avalancha, que genera una gran corriente. Los diodos de avalancha están diseñados para romperse a una tensión inversa bien definida sin destruirse. La diferencia entre el diodo de avalancha (que tiene una ruptura inversa superior a unos 6,2  V) y el Zener es que la longitud del canal del primero supera el camino libre medio de los electrones, lo que provoca numerosas colisiones entre ellos a su paso por el canal. La única diferencia práctica entre ambos tipos es que tienen coeficientes de temperatura de polaridad opuesta.

diodos de corriente constante

En realidad, se trata de JFET ^{[ 47 ]} con la compuerta conectada a la fuente, y funcionan como un análogo limitador de corriente de dos terminales del diodo Zener limitador de voltaje. Permiten que la corriente que los atraviesa alcance un cierto valor y luego se estabilice en un valor específico. También se les denomina CLD , diodos de corriente constante , transistores conectados como diodos o diodos reguladores de corriente .

Rectificadores de cristal o diodos de cristal

Estos son diodos de contacto puntual. ^{[ 32 ]} La serie 1N21 y otras se utilizan en aplicaciones de mezcladores y detectores en receptores de radar y microondas. ^{[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]} El 1N34A es otro ejemplo de un diodo de cristal. ^{[ 51 ]}

diodos Gunn

Estos dispositivos son similares a los diodos túnel, ya que están fabricados con materiales como GaAs o InP que presentan una región de resistencia diferencial negativa . Con la polarización adecuada, se forman dominios dipolares que se desplazan a través del diodo, lo que permite construir osciladores de microondas de alta frecuencia .

Diodos emisores de luz (LED)

En un diodo formado a partir de un semiconductor de banda prohibida directa , como el arseniuro de galio , los portadores de carga que cruzan la unión emiten fotones cuando se recombinan con el portador mayoritario en el otro lado. Dependiendo del material, se pueden producir longitudes de onda (o colores) ^{[ 52 ]} desde el infrarrojo hasta el ultravioleta cercano. ^{[ 53 ]} Los primeros LED eran rojos y amarillos, y con el tiempo se han desarrollado diodos de mayor frecuencia. Todos los LED producen luz incoherente de espectro estrecho; los LED "blancos" son en realidad un LED azul con un recubrimiento centelleador amarillo , o combinaciones de tres LED de un color diferente. Los LED también se pueden utilizar como fotodiodos de baja eficiencia en aplicaciones de señales. Un LED se puede combinar con un fotodiodo o un fototransistor en el mismo encapsulado para formar un optoacoplador .

diodos láser

Cuando una estructura similar a un LED se encuentra dentro de una cavidad resonante formada mediante el pulido de sus caras extremas paralelas, se puede generar un láser . Los diodos láser se utilizan comúnmente en dispositivos de almacenamiento óptico y para comunicaciones ópticas de alta velocidad .

diodos térmicos

Este término se utiliza tanto para los diodos p-n convencionales empleados para monitorizar la temperatura debido a la variación de su tensión directa con la temperatura, como para las bombas de calor Peltier, utilizadas para la calefacción y refrigeración termoeléctrica . Las bombas de calor Peltier pueden estar fabricadas con semiconductores; si bien no poseen uniones rectificadoras, aprovechan el comportamiento diferencial de los portadores de carga en los semiconductores de tipo N y P para transferir calor.

Fotodiodos

Todos los semiconductores están sujetos a la generación de portadores de carga óptica . Este es generalmente un efecto no deseado, por lo que la mayoría de los semiconductores se empaquetan en material que bloquea la luz. Los fotodiodos están diseñados para detectar la luz ( fotodetector ), por lo que se empaquetan en materiales que permiten el paso de la luz y suelen ser PIN (el tipo de diodo más sensible a la luz). ^{[ 54 ]} Un fotodiodo se puede utilizar en células solares , en fotometría o en comunicaciones ópticas . Varios fotodiodos pueden empaquetarse en un solo dispositivo, ya sea como una matriz lineal o como una matriz bidimensional. Estas matrices no deben confundirse con dispositivos de carga acoplada .

diodos PIN

Un diodo PIN tiene una capa central sin dopar, o intrínseca , formando una estructura de tipo p/intrínseca/tipo n. ^{[ 55 ]} Se utilizan como interruptores y atenuadores de radiofrecuencia. También se utilizan como detectores de radiación ionizante de gran volumen y como fotodetectores . Los diodos PIN también se utilizan en electrónica de potencia , ya que su capa central puede soportar altos voltajes. Además, la estructura PIN se puede encontrar en muchos dispositivos semiconductores de potencia , como IGBT , MOSFET de potencia y tiristores .

diodos Schottky

Los diodos Schottky se construyen a partir de un contacto metal-semiconductor. Tienen una caída de tensión directa menor que los diodos de unión p-n. Su caída de tensión directa a corrientes directas de aproximadamente 1  mA está en el rango de 0,15  V a 0,45  V, lo que los hace útiles en aplicaciones de limitación de tensión y prevención de la saturación de transistores. También se pueden usar como rectificadores de bajas pérdidas , aunque su corriente de fuga inversa es generalmente mayor que la de otros diodos. Los diodos Schottky son dispositivos de portadores mayoritarios y, por lo tanto, no sufren los problemas de almacenamiento de portadores minoritarios que ralentizan a muchos otros diodos, por lo que tienen una recuperación inversa más rápida que los diodos de unión p-n. También tienden a tener una capacitancia de unión mucho menor que los diodos p-n, lo que permite altas velocidades de conmutación y su uso en circuitos de alta velocidad y dispositivos de RF como fuentes de alimentación conmutadas , mezcladores y detectores .

diodos de superbarrera

Los diodos de superbarrera son diodos rectificadores que combinan la baja caída de tensión directa del diodo Schottky con la capacidad de soportar sobretensiones y la baja corriente de fuga inversa de un diodo de unión p-n normal.

diodos dopados con oro

Como dopante, el oro (o platino ) actúa como centro de recombinación, lo que ayuda a la rápida recombinación de portadores minoritarios. Esto permite que el diodo opere a frecuencias de señal más altas, a costa de una mayor caída de voltaje directo. Los diodos dopados con oro son más rápidos que otros diodos p-n (pero no tan rápidos como los diodos Schottky). También tienen menos fugas de corriente inversa que los diodos Schottky (pero no tan buenas como otros diodos p-n). ^{[ 56 ] [ 57 ]} Un ejemplo típico es el 1N914.

Diodos de ruptura o de recuperación escalonada

El término recuperación escalonada se refiere a la forma de la característica de recuperación inversa de estos dispositivos. Después de que una corriente directa ha estado circulando por un SRD y esta se interrumpe o invierte, la conducción inversa cesa de forma muy abrupta (como en una onda escalonada). Por lo tanto, los SRD pueden proporcionar transiciones de voltaje muy rápidas mediante la desaparición repentina de los portadores de carga.

Estabilizadores o diodos de referencia directa

El término "estabilizador" se refiere a un tipo especial de diodos que presentan características de tensión directa extremadamente estables . Estos dispositivos están especialmente diseñados para aplicaciones de estabilización de baja tensión que requieren una tensión garantizada en un amplio rango de corriente y una alta estabilidad térmica.

diodo supresor de voltaje transitorio (TVS)

Estos son diodos de avalancha diseñados específicamente para proteger otros dispositivos semiconductores de transitorios de alto voltaje . ^{[ 58 ]} Sus uniones p-n tienen un área de sección transversal mucho mayor que la de un diodo normal, lo que les permite conducir grandes corrientes a tierra sin sufrir daños.

Diodos túnel o diodos Esaki

Estos presentan una región de operación con resistencia negativa causada por el efecto túnel cuántico ^{[ 59 ]} , lo que permite la amplificación de señales y circuitos biestables muy simples. Debido a la alta concentración de portadores, los diodos túnel son muy rápidos y pueden utilizarse a bajas temperaturas (mK), en campos magnéticos intensos y en entornos con alta radiación ^{[ 60 ]} . Gracias a estas propiedades, se utilizan frecuentemente en naves espaciales.

Diodos varicap o varactores

Estos se utilizan como condensadores controlados por voltaje . Son importantes en los circuitos PLL ( bucle de enganche de fase ) y FLL ( bucle de enganche de frecuencia ), ya que permiten que los circuitos de sintonización, como los de los receptores de televisión, se sincronicen rápidamente con la frecuencia. También posibilitaron los osciladores sintonizables en la sintonización discreta inicial de las radios, donde un oscilador de cristal económico y estable, pero de frecuencia fija, proporcionaba la frecuencia de referencia para un oscilador controlado por voltaje .

diodos Zener

Estos diodos pueden conducir en polarización inversa (hacia atrás) y se denominan correctamente diodos de ruptura inversa. Este efecto, llamado ruptura Zener , se produce a una tensión precisamente definida, lo que permite utilizar el diodo como referencia de tensión de precisión. El término diodos Zener se aplica coloquialmente a varios tipos de diodos de ruptura, pero, estrictamente hablando, los diodos Zener tienen una tensión de ruptura inferior a 5 voltios, mientras que los diodos de avalancha se utilizan para tensiones de ruptura superiores a ese valor. En los circuitos prácticos de referencia de tensión, los diodos Zener y de conmutación se conectan en serie y en direcciones opuestas para equilibrar la respuesta del coeficiente de temperatura de los diodos a valores cercanos a cero. Algunos dispositivos etiquetados como diodos Zener de alta tensión son en realidad diodos de avalancha (véase más arriba). Dos diodos Zener (equivalentes) en serie y en orden inverso, en el mismo encapsulado, constituyen un absorbedor de transitorios (o Transorb , una marca registrada).

El símbolo que representa un tipo específico de diodo en un diagrama de circuito indica su función eléctrica general. Existen símbolos alternativos para algunos tipos de diodos, aunque las diferencias son mínimas. El triángulo en los símbolos apunta hacia la polaridad directa, es decir, hacia la dirección del flujo de corriente convencional .

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  Diodo
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  Diodo emisor de luz (LED)
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  Fotodiodo
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  diodo Schottky
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  diodo supresor de voltaje transitorio (TVS)
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  diodo túnel
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  Varicap
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  diodo Zener
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  Paquetes de diodos típicos alineados con el símbolo del diodo. La barra delgada representa el cátodo .

Existen varios esquemas de numeración y codificación comunes, estándar y promovidos por los fabricantes para los diodos; los dos más comunes son el estándar EIA / JEDEC y el estándar europeo Pro Electron :

El primer uso del diodo fue la demodulación de emisiones de radio moduladas en amplitud (AM). Una señal AM consiste en picos positivos y negativos alternos de una onda portadora de radio, cuya amplitud o envolvente es proporcional a la señal de audio original. El diodo rectifica la señal de radiofrecuencia AM, dejando solo los picos positivos de la onda portadora. El audio se extrae de la onda portadora rectificada mediante un filtro simple y se envía a un amplificador o transductor de audio , que genera ondas sonoras a través de un altavoz .

En la tecnología de microondas y ondas milimétricas, a partir de la década de 1930, los investigadores mejoraron y miniaturizaron el detector de cristal. Los diodos de contacto puntual ( diodos de cristal ) y los diodos Schottky se utilizan en detectores de radar, microondas y ondas milimétricas. ^{[ 40 ]}

Los rectificadores se construyen con diodos, que se utilizan para convertir la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC). Los alternadores de automóviles son un ejemplo común, donde el diodo, que rectifica la CA a CC, ofrece un mejor rendimiento que el conmutador o, anteriormente, la dinamo . De manera similar, los diodos también se utilizan en los multiplicadores de voltaje Cockcroft-Walton para convertir la CA en voltajes de CC más altos.

Dado que la mayoría de los circuitos electrónicos pueden dañarse al invertirse la polaridad de sus entradas de alimentación, a veces se utiliza un diodo en serie para protegerlos contra estas situaciones. Este concepto se conoce con diversas denominaciones que significan lo mismo: protección contra voltaje inverso, protección contra polaridad inversa y protección contra polaridad inversa de la batería.

Los diodos se utilizan frecuentemente para conducir voltajes elevados y dañinos lejos de dispositivos electrónicos sensibles. En condiciones normales, suelen estar polarizados inversamente (no conducen). Cuando el voltaje supera el rango normal, los diodos se polarizan directamente (conducen). Por ejemplo, se utilizan diodos en controladores de motor ( motor paso a paso y puente H ) y circuitos de relé para desenergizar bobinas rápidamente sin los picos de voltaje dañinos que de otro modo ocurrirían. (Un diodo utilizado en esta aplicación se denomina diodo flyback ). Muchos circuitos integrados también incorporan diodos en los pines de conexión para evitar que los voltajes externos dañen sus transistores sensibles . Se utilizan diodos especializados para proteger contra sobretensiones a mayor potencia (véase Tipos de diodos más arriba).

La lógica de diodo-resistencia construye puertas lógicas AND y OR . La completitud funcional se puede lograr agregando un dispositivo activo para proporcionar inversión (como se hace con la lógica de diodo-transistor ).

Además de la luz, mencionada anteriormente, los diodos semiconductores son sensibles a la radiación de mayor energía . En electrónica , los rayos cósmicos y otras fuentes de radiación ionizante provocan pulsos de ruido y errores de bits simples y múltiples. Este efecto a veces se aprovecha en los detectores de partículas para detectar radiación. Una sola partícula de radiación, con miles o millones de electronvoltios de energía, genera muchos pares de portadores de carga, ya que su energía se deposita en el material semiconductor. Si la capa de agotamiento es lo suficientemente grande como para capturar toda la lluvia de partículas o detener una partícula pesada, se puede realizar una medición bastante precisa de la energía de la partícula, simplemente midiendo la carga conducida y sin la complejidad de un espectrómetro magnético, etc. Estos detectores de radiación semiconductores requieren una recolección de carga eficiente y uniforme y una baja corriente de fuga. A menudo se enfrían con nitrógeno líquido . Para partículas de mayor alcance (aproximadamente un centímetro), necesitan una profundidad de agotamiento muy grande y una gran área. Para partículas de corto alcance, necesitan que cualquier contacto o semiconductor no agotado en al menos una superficie sea muy delgado. Los voltajes de polarización inversa están cerca del punto de ruptura (alrededor de mil voltios por centímetro). El germanio y el silicio son materiales comunes. Algunos de estos detectores detectan tanto la posición como la energía. Tienen una vida útil limitada, especialmente al detectar partículas pesadas, debido al daño por radiación. El silicio y el germanio difieren considerablemente en su capacidad para convertir los rayos gamma en cascadas de electrones.

Los detectores semiconductores para partículas de alta energía se utilizan en gran cantidad. Debido a las fluctuaciones en la pérdida de energía, la medición precisa de la energía depositada resulta menos útil.

Un diodo puede utilizarse como dispositivo de medición de temperatura , ya que la caída de tensión directa a través del diodo depende de la temperatura, como en un sensor de temperatura de banda prohibida de silicio . Según la ecuación del diodo ideal de Shockley mencionada anteriormente, podría parecer que la tensión tiene un coeficiente de temperatura positivo (a corriente constante), pero generalmente la variación del término de corriente de saturación inversa es más significativa que la variación del término de tensión térmica. Por lo tanto, la mayoría de los diodos tienen un coeficiente de temperatura negativo , típicamente −2 mV/°C para los diodos de silicio. El coeficiente de temperatura es aproximadamente constante para temperaturas superiores a unos 20 kelvin . Se proporcionan algunos gráficos para la serie 1N400x, ^{[ 65 ]} y el sensor de temperatura criogénico CY7. ^{[ 66 ]}

Los diodos evitan que la corriente circule en direcciones no deseadas. Para alimentar un circuito eléctrico durante un corte de energía, este puede extraer corriente de una batería . Un sistema de alimentación ininterrumpida (SAI) puede utilizar diodos de esta manera para garantizar que la corriente solo se extraiga de la batería cuando sea necesario. Asimismo, las embarcaciones pequeñas suelen tener dos circuitos, cada uno con su propia batería: uno para el arranque del motor y otro para las instalaciones domésticas. Normalmente, ambos se cargan con un único alternador, y se utiliza un diodo de carga dividida de alta resistencia para evitar que la batería con mayor carga (generalmente la del motor) se descargue a través de la de menor carga cuando el alternador no está funcionando.

Los diodos también se utilizan en teclados musicales electrónicos . Para reducir la cantidad de cableado necesario en estos instrumentos, suelen emplear circuitos matriciales . El controlador del teclado recorre las filas y columnas para determinar qué nota ha pulsado el intérprete. El problema de los circuitos matriciales es que, al pulsar varias notas a la vez, la corriente puede retroceder y activar teclas fantasma que producen notas no deseadas. Para evitar la activación de notas no deseadas, la mayoría de los circuitos matriciales de teclado incorporan diodos soldados al interruptor situado debajo de cada tecla . Este mismo principio se utiliza también en la matriz de interruptores de las máquinas de pinball de estado sólido .

Los diodos pueden utilizarse para limitar la excursión positiva o negativa de una señal a un voltaje predeterminado.

Un circuito de sujeción con diodo puede tomar una señal de corriente alterna periódica que oscila entre valores positivos y negativos, y desplazarla verticalmente de manera que los picos positivos o negativos coincidan con un nivel preestablecido. El circuito de sujeción no restringe la amplitud pico a pico de la señal, sino que la desplaza verticalmente para que los picos coincidan con el nivel de referencia.

La relación exponencial corriente-voltaje del diodo se aprovecha para evaluar la exponenciación y su función inversa , el logaritmo, utilizando señales de voltaje analógicas (ver Aplicaciones del amplificador operacional §§ Salida exponencial ySalida logarítmica ).