Diodo emisor de luz, LED, y fotodiodo
Cuando se produce una recombinación entre un hueco y un
electrón parte de la energía de ésta se transforma en la emisión de
un fotón. Esta propiedad se emplea para construir dispositivos que
transformen, con un rendimiento del 20%, energía eléctrica en luz.
Estos dispositivos se denominan LEDs ( del inglés light emmiting
diode ) y el símbolo se representa en la Fig. 21.
Se trata simplemente de un diodo en el que interesa producir un gran número de recombinaciones, se lo polariza por lo tanto en directa. Además, en lugar de emplear Si en su fabricación, se emplean otro tipo de materiales que presentan un mejor comportamiento óptico. En efecto, la primera versión comercial se realizó en arseniuro de galio que presenta una banda prohibida de un valor de 1,37eV y radia en una longitud de onda de 9.100Å, la cual es de color rojo oscuro. Un diodo de fósforo de galio tiene un intervalo entre las bandas de conducción y de valencia de 2,25eV que corresponde a una longitud de onda de 5.600 Å, que produce una luz verde. Se han desarrollado otros diodos con distintos materiales para obtener otros colores.
s. Puesto que la recombinación puede ocurrir con distintos niveles de energía la luz emitida no es monocromática, sin embargo la característica es de banda angosta como se muestra en la Fig. 22. Otra característica importante es que luz producida presenta una variación bastante lineal con respecto a la luz que lo circula.
El LED se polariza en directa puesto que no hay emisión de luz cuando se lo hace en inversa.
La ventaja que presenta este dispositivo es que puede producir luz con una potencia de entrada muy pequeña. La potencia que consume una lámpara incandescente de panel es alta, por ejemplo, 6,3V a 150mA, son 945mW. Un LED típico produce una irradiación intensa con sólo 30mW ( 20mA y 1,52V ).
El efecto inverso se utiliza en el fotodiodo, Fig. 22. Este diodo se polariza en inversa y la luz incidente genera pares electrón hueco, produciéndose una gran creación de portadores minoritarios en las regiones n y p, mismos que atraviesan la juntura e incrementan la corriente. La corriente que fluye por el diodo es proporcional a la luz incidente.
Diodo zener
Características principales
Como se vio anteriormente al aumentar la tensión inversa en un diodo llega un momento en que la corriente comienza a crecer en forma abrupta. Esta variación de la corriente puede ser muy pronunciada, por ejemplo para un diodo de Si para un cierto valor de VD, digamos –20V, la corriente puede ser de-5A, en tanto que para VD = -20,1 puede saltar bruscamente a –2mA. La tensión de ruptura viene indicada por el valor VBR en las curvas del diodo dibujadas con anterioridad.
viene indicada por el valor VBR en las curvas del diodo dibujadas con anterioridad. Este comportamiento puede ser debido dos efectos. En primer lugar, si VD aumenta lo suficiente, recordando que en polarización inversa el campo eléctrico en la juntura se ve reforzado, este puede ser tan elevado que tenga la fuerza suficiente como para arrancar a los electrones de sus enlaces covalentes. Este fenómeno se conoce como ruptura Zener.
Aunque la tensión externa aplicada pueda ser baja, por ejemplo 20V, el campo eléctrico en la juntura puede ser de varias decena de miles de volts por centímetro, puesto que toda la tensión aplicada caerá en la pequeña región de carga espacial, que puede tener una longitud, por ejemplo, de 0,00025cm o menos. Por lo tanto la intensidad del campo eléctrico será de 20V/0,00025cm = 80.000 V/cm.
El segundo mecanismo, y más común, es el llamado de ruptura por avalancha. Los portadores minoritarios producidos por la ruptura de enlaces covalentes en las regiones n y p llegan a la zona de carga espacial y son acelerados por el campo eléctrico. Cuando la tensión inversa llega a un valor crítico la velocidad de estos electrones es tal que la energía cinética que transportan puede producir, mediante choques con los átomos, rotura de enlaces, liberando nuevos portadores. Estos portadores, por ejemplo electrones, 'nacen' bajo un campo eléctrico muy intenso que los acelera y les confiere una elevada energía cinética. Este nuevo electrón puede producir otro choque con la consecuente nueva rotura de ligaduras. Se ve que de esta manera los portadores se empiezan a multiplicar rápidamente provocando un veloz incremento en la corriente inversa que circula por el diodo.
El valor de la tensión de ruptura VBR se puede variar por construcción y en esta región se están produciendo siempre simultáneamente los dos fenómenos explicados. A pesar de que, dependiendo del valor de VBR, un mecanismo de ruptura será más importante que otro a la tensión de ruptura se la llama genéricamente tensión de Zener o VZ.
El diodo Zener, cuyo símbolo se muestra en la Fig. 15, es un diodo que está preparado para trabajar en la zona de ruptura, es decir con una tensión inversa VZ. Si bien la curva característica tiene la misma forma que la de un diodo común en la Fig. 16 se señalan algunos puntos de interés que presentan estas curvas. En particular:
- VZ tensión de trabajo normal.
- VZmmín valor de tensión por debajo del cual el diodo deja de estar en la zona de ruptura.
- VZmáx valor máximo de tensión que se puede aplicar, por encima de éste el diodo se quema por exceso de potencia.
- IZ corriente de trabajo normal.
- IZmín corriente correspondiente a la tensión VZmmín.
- IZmáx corriente correspondiente al valor de tensión VZmmáx.
- rZ resistencia del diodo Zener en la zona de ruptura, es la inversa de la pendiente deltaI/deltaV es decir:
Es decir que para una gran variación de corriente que circula por el diodo Zener se obtiene
un cambio de tensión muy pequeña sobre el mismo. Debido a esta característica la aplicación más
importante del diodo Zener es como referencia de tensión en reguladores de voltaje.
Aplicación del diodo Zener
En muchas aplicaciones se desea mantener la
fuente de alimentación de un circuito electrónico lo
más constante posible frente a variaciones de la
fuente en si o frente a cambios de consumo. En la
Fig. 17 se ilustra este caso. La tensión E de continua,
como se verá más adelante, se deriva de la tensión
alterna que suministra la empresa de energía
eléctrica, Ri es la resistencia interna de la fuente E y
RL es una resistencia que representa el consumo del sistema que se desea alimentar. RL recibe el nombre de resistencia de carga o carga.
Lo que se desea es mantener la tensión VDD lo más constante posible. Ahora bien ¿por qué
habría de variar? La respuesta a esta pregunta tiene dos causas. Primero, como se mencionó la tensión E es derivada de la línea de alimentación
externa, que no permanece constante a lo largo del tiempo, experimenta variaciones por ejemplo de
10%, variaciones que se traducen en cambios en el valor de E. Como se puede ver fácilmente, si RL
permanece constante, los cambios en E se trasladan a VDD, que se desea mantener constante. En
segundo lugar si E permanece constante y varía el consumo, representado por un cambio en el valor
de RL, debido al valor no nulo de la resistencia interna Ri habrá cambios en VDD. En un circuito real
se están produciendo simultáneamente estos dos efectos.
¿Cómo se hace entonces para hacer inmune a VDD frente a los mecanismos mencionados?
La solución es colocar entre la fuente y la carga un circuito electrónico, denominado regulador de
tensión, como se muestra en la Fig. 18. Los reguladores de tensión son circuitos de complejidad
mediana y que invariablemente en alguna parte del mismo tendrán un diodo Zener, es más, el
regulador más simple se puede construir con uno sólo de estos dispositivos como se muestra en la
Fig. 19. Se emplea el diodo Zener debido a su capacidad de manejar grandes cambios de corriente
con variaciones muy pequeña de tensión entre sus bornes.
DIODO - Contactos y Recta de carga
Contactos
Como se acaba de ver lejos de la juntura la corriente es debida principalmente a los portadores mayoritarios, es decir electrones en la región n y huecos en la p.
En la Fig. 9 los contactos se identifican como A y B. El contacto B debe permitir sin problemas el pasaje de electrones libres del metal al semiconductor tipo n. Por el contrario el contacto A debe permitir la extracción de los electrones de la banda de valencia de la región tipo p, generando de esta manera huecos que se desplazan hacia la derecha. Ambos procesos se deben realizar sin caída de tensión apreciable en los contactos.
Recta de carga
El concepto de recta de carga se emplea para
describir y hallar la solución gráfica de un circuito en
particular.
Supóngase el circuito de la Fig. 10, en el que se desean hallar los valores de las tensiones que caen sobre el diodo y la resistencia y la corriente que circula por el circuito. Por la segunda ley de Kirchhoff se debe cumplir:
VA = VD + VR
Es decir que la tensión suministrada por la fuente debe ser igual la caída en el diodo más la caída en la resistencia. Pero la aplicación directa de esta expresión significa involucrar a la Ec. 1, es decir que se tiene un sistema no lineal, con las consecuentes complicaciones para hallar la solución.
Pero además de cumplirse la ley de Kirchhoff se tiene que cumplir la ecuación del diodo, con lo cual se puede tratar de llegar a una solución gráfica del problema. En efecto, la corriente que circula es:
que es la ecuación de una recta, misma que puede trazar sobre las características del diodo, el punto en que se crucen, llamado punto Q o punto de polarización, será la solución del problema.
Ejemplo: Empleando el circuito de la Fig. 10 determinar la corriente y la tensión para valores de VA de 4, 3 y 2V respectivamente ( Ver Fig. 11 ).
Para VA = 4V los puntos extremos de la recta de carga son:
Y la caída de tensión en R es de 3V.
Para VA = 3V los puntos extremos de la recta de carga son: V = 3V e I= 1,5A
Si se traza esta recta de carga sobre la curva del diodo el punto de reposo es: IQ1 = 1,55A y VQ1 =
Y la caída de tensión en R es de
3V. 0,9V
Para VA = 2V los puntos extremos de la recta de carga son:
Si se traza esta recta de carga sobre la curva del diodo el punto de reposo es:IQ2 = 0,6A y VQ2 = 0,8V
Y la caída de tensión en R es de 1,2V
Debe notarse que el cambio lineal en la fuente de alimentación ( 2, 3, 4V ) no proporciona un cambio proporcional en VQ ( 0,8, 0,9, 1V ) ni en la corriente IQ ( 0,6, 1,05, 1,5A ).
DIODO - Corriente de saturación inversa y distribución de las corrientes
Corriente de saturación inversa
La corriente inversa de saturación IS, debida a los portadores minoritarios que se generan térmicamente en las regiones p y n, tiene la forma:
siendo K1 una constante. Se puede apreciar que la corriente inversa de saturación depende fuertemente de la temperatura, puesto que de ella también depende la generación de pares electrón hueco.
Distribución de las corrientes
En la Fig. 7 se representan las
densidades de corriente Jp y Jn, de huecos y de
electrones mayoritarios, para el caso de un
diodo polarizado en directa. Se supone que no
existe recombinación en la zona de carga
espacial, por lo tanto en esta región las
corrientes permanecen invariables. Estos
portadores llegan a las zonas en que son
minoritarios se mueven por difusión y se
recombinan rápidamente, con longitudes de
difusión Lp y Ln.
Ahora bien como se trata de un circuito serie la densidad de corriente debe ser constante en todo el largo del cristal, por lo tanto la corriente que se va perdiendo hacia la derecha en Jp debe ser provista por los electrones, y de forma tal que la suma sea constante. El mismo razonamiento se aplica en la región p. Ver Fig. 8.
La corriente debida a los portadores minoritarios es una corriente de difusión en tanto que la de los mayoritarios es una corriente de arrastre.
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