tipos de diodos

F Í S I C A D E S E MI C O N D U C T O R E S P Á G I N A | 1
FÍSICA DE SEMICONDUCTORES
El primer transistor (cortesía de los laboratorios B ell Telephone)
INGENIERÍA ELECTRÓNICA TERCER SEMESTRE

1. DIODO SEMICONDUCTOTOR
INTRODUCCIÓN
El 23 de diciembre del 1947, hace más de 50 años, se desarrolló el primer transistor. Para
aquellos de nosotros que vivimos la evolución del tubo de vacío hacia la era del estado sólido
pareciera tan solo unos cuantos años. En este momento ya n o es válido siquiera mencionar los
tubos de vacío ni mostrar las ventajas de uno sobre el otro, ya que estamos situados
firmemente en la era del estado sólido.
La miniaturización de los componentes que se ha originado are cuestionamientos de hasta
dónde llegan sus límites. Ahora es posible encontrar sistemas completos sobre obleas de silicio
que son miles de veces más pequeñas comparadas con un solo elemento de los primeros
sistemas. Los circuitos integrados de hoy, cuentan con más de 10 millones de transistores en
un área no mayor a una uña de un pulgar.cda semana surgen diseños y sistemas nuevos.
Para el ingeniero esto implica una limitación en cuanto a su conocimiento sobre la amplia
gama de avances tecnológicos; simplemente poderse mantenerse actualizado sobre los
cambios en un área de investigación o desarrollo ya que es por si complicado. Además hemos
llegado a un punto en el que el objetivo primario de del encapsulado de un componente es el
de servir solo como el de un medio para manipular el dispositivo y sistema o proveer un
mecanismo que permite acoplarlo de un componente es el de servir solo como un medio para
manipular el dispositivo o sistema o red.
Un diodo ideal es un dispositivo de dos terminales que se presenta por el símbolo y posees las
características que se muestra en la figura 1.1 a y 1.1b respectivamente.

Figura 1.1 diodo ideal (a) símbolo (b) características
De forma ideal un diodo conducirá corriente en la dirección definida por la flecha que se
muestra en el símbolo y actuara como un circuito abierto ante cualquier intento por establecer
corriente en dirección opuesta. En esencia:
Las características de un diodo ideal son las misma que las de un interruptor que solo permite
la conducción de corriente en una sola dirección.
.Si la polarización de voltaje aplicado es consistente en las características de la figura 1.1a
debería considerarse las particularidades de la parte derecha del eje vertical en el plano de la
figura 1.1b si el voltaje aplicado se invierte las características pertinentes serán de la parte las
de la parte izquierda.
Si se aplica un voltaje inverso, las características a la izquierda son pertinentes. En el caso de
que la corriente a través del diodo tenga la dirección que se indica en la figura 1.1a, la parte de
las características que se considerará se encuentra por encima del eje horizontal, en tanto que
invertir la dirección requeriría el empleo de las características por debajo del eje.

Uno de los parámetros importantes para el diodo es la resistencia en el punto o región de
operación. Si consideramos la región definida por la dirección de ID Y la polaridad de VD en
la figura 1.1a (cuadrante superior derecho de la figura l.lb), encontraremos que el valor de la
resistencia directa Rp de acuerdo a como se define con la ley de Ohm es
푅퐹 =
푉퐹
퐼퐹
=
0 푉
2,3, 푚퐴, … … … . , 표 푐푢푙푞푢푖푒푟 푣푎푙표푟 푝표푠푖푡푖푣표
= ∞ Ω (푐푖푟푡. 푎푏푖푒푟푡표)
Donde VF es el voltaje de polarización directo a través del diodo e IF es la corriente en sentido
directo a través del diodo. El diodo ideal, por consiguiente, es un corto circuito para la región
de conducción, Si consideramos la región del potencial aplicado negativamente (tercer
cuadrante) de la figura 1.1b,
푅푅 = 푉푅
퐼푅
= −5,−20 ,표푐푢푎푙푞푢푖푒푟 푝표푡푒푛푐푖푎푙 푑푒 푝표푙푎푟푖푎푐푖표푛 푖푛푣푖푒푟푧푎
0 푚퐴
= Ω (푐푟푡표 푐푖푟푐푢푖푡표)
donde VR es el voltaje de polarización inverso a través del diodo e IR es la corriente inversa en
el diodo.
El diodo ideal, en consecuencia, es un circuito abierto en la región en la que no hay
Conducción. En síntesis, se aplican las condiciones que.se describen en la figura 1.2.

Figura 1.2 estados (a) de conducción y (b) de no conducción del diodo ideal, determinados por la
polarización aplicada.
En general, es relativamente sencillo determinar si un diodo se encuentra en la región de
conducción o en la de no conducción observando tan solo la dirección de la corriente ID
establecida por el voltaje aplicado. Para el flujo convencional (opuesto al de los electrones), si
la corriente resultante en el diodo tiene la misma dirección que la de la flecha del símbolo de
dicho elemento, éste opera en la región de conducción. Esto se representa en la figura l.3a. Si
la corriente resultante tiene la dirección opuesta, como se muestra en la figura 1.3.b, el circuito
abierto equivalente es el apropiado.
Figura 1.3 (a) estado de conducción y (b) de no conducción del diodo ideal determinados por la
dirección de corriente de la red aplicada.
Efectos de la temperatura
La temperatura puede tener un marcado efecto sobre las características de un diodo
serniconductor de silicio, como lo demuestra un típico diodo de silicio en la figura 1.24. Se ha
encontrado experimentalmente que:
La corriente de saturación inversa Js aumentará cerca del doble en magnitud por
Cada 100°C de incremento en la temperatura.

Figura 1.4 variación de las características del diodo son el cambio de temperatura.
No es raro para un diodo de germanio con una Is del orden de 1 02 I. lA a 25°C, tener una
corriente de fuga de 100 ¡.LA= 0.1 mA a una temperatura de 100°C. Niveles de corriente de
esta magnitud en la región de polarización inversa podrían ciertamente cuestionar nuestra
deseada condición de circuito abierto en la región de polarización inversa. Los valores típicos
de Is para el silicio son mucho menores que el correspondiente al germanio para potencia y
niveles de corriente similares, como se muestra en la figura 1.23. El resultado es que, aun a
altas temperaturas, los niveles de Is para diodo s de silicio no alcanzan los mismos altos
niveles obtenidos para el germanio, una muy importante razón por la que los dispositivos de
silicio gozan de un nivel significativamente mayor de desarrollo y empleo en diseños.
Fundamentalmente, el equivalente de circuito abierto en la región de polarización inversa se
logra mejor a cualquier temperatura con silicio que con germanio.
Los niveles incrementados de Is con la temperatura dan razón de los muy bajos niveles del
voltaje de umbral, como se muestra en la figura 1.24. Simplemente incremente el nivel de Is

en la ecuación (1.4) y note el precoz ascenso en la corriente del diodo. Por supuesto el nivel de
TK también se incrementará en la misma ecuación, pero el nivel incrementado de
Isprodominará sobre el pequeño cambio porcentual en TK. A medida que la temperatura
aumenta, las características directas efectivamente se aproximan más a lo "ideal"; pero cuando
revisemos las hojas de especificaciones encontraremos que más allá del intervalo normal de
operación la temperatura puede tener un efecto muy perjudicial en los niveles máximos de
potencia y corriente del diodo. En la región de polarización inversa, el voltaje de ruptura se
incrementa con la temperatura, pero advierta el indeseable incremento en la corriente de
saturación inversa.
Tabla 1.1 niveles de resistencia

1.1 DIODO
El diodo semiconductor se forma al unir materiales del tipo;
(a) (b)
Figura 1.1.1 (a) material tipo n, (b) material tipo p Construidos a base de Ge o Si, como se muestra en
la figura 1.1.2
Figura 1.1.2 unión p-n sin polarización externa

En el momento en que dos materiales se “unen”, los electrones y los huecos en la región de la
unión se combinaran dando como resultado una carencia de portadores en la región cercana a
la unión.
Esta región de iones negativos y positivos descubiertos recibe el nombre de región de
agotamiento por la ausencia de portadores en la misma.
Puesto que el diodo es un dispositivo de dos terminales, la aplicación de un voltaje a través de
sus terminales implica una de tres posibilidades: no hay polarización (VD = 0 V), polarización
directa (VD> 0 V) Y polarización inversa (VD < 0 V). Cada una es la condición que se
obtendrá en una respuesta que el usuario deberá comprender claramente si desea que el
dispositivo sea aplicado con efectividad..
Sin polarización aplicada (푽푫 = ퟎ 푽)
En condiciones sin polarización, los portadores minoritarios (huecos) en el material tipo n que
se encuentran dentro de la región de agotamiento pasaran directamente al material tipo p.
cuanto más cerca de la unió se encuentre los portadores minoritarios, mayor cera la atracción
de la capa de iones negativos y menor la posición de los iones positivos en la región de
agotamiento del material tipo n. para propósitos de análisis futuros, supondremos que todos los
portadores minoritarios al material tipo n que se en cuentan en la región de agotamiento
debido a su movimiento aleatorio pasaran directamente hacia el material tipo p. un análisis
similar puede aplicarse a los portadores que se han indicado en la figura anterior para los
portadores minoritarios en cada material.
Los portadores mayoritarios (electrones) en el material tipo n deben superar las fuerzas de
atracción de la capa de iones positivos en el material tipo n, así como la capa de iones
negativos en el material tipo p, para emigrar hacia el área más allá de la región de agotamiento
del material tipo p. sin embargo, el número de portadores mayoritarios es tan grande en el
material tipo n que invariablemente habrá un pequeño número de portadores de mayoritarios
con suficiente energía cinética para pasar a la región de agotamiento y llegar al material p.

Características corriente – voltaje
Un voltaje aplicado a una región p-n causara disturbios al preciso balance entre la corriente de
difusión y la corriente de arrastre de electrones y huecos. Bajo polarización directa, el voltaje
aplicado reduce el potencial electroestático de la región de agotamiento. La corriente de
arrastres es reducida en comparación de la corriente de difusión. Tenemos un enriquecimiento
de huecos por difusión que van del lado p al lado n y electrones por difusión desde el lado n al
lado p. por lo que, ocurre una inyección de portadores minoritarios, esto es los electrones son
inyectados en lado p, mientras los huecos son inyectados en el lado n.
En equilibrio térmico, la densidad de portadores minoritarios en la región neutral es
esencialmente igual a la concentración de impurezas. Usaremos los subíndices n y p para
denotar el tipo de semiconductor y el subíndice o para especificar la condición de equilibrio
térmico. Por lo tanto, 푛푛표 y 푛푝표 son las densidades de electrones en equilibrio térmico en el
lado n y en el lado p respectivamente. La expresión para el potencial de contacto es la
siguiente ecuación;
푉푏푖 =
푘푇
푞
ln
푝푝표 푛푛표
푛푖 2 =
푘푇
푞
ln
푛푛표
푝푝표
(1.1)
Donde ha sido usada la ley de la masa activa 푝푝표푛푛표 = 푛푖 2
Cuando un potencial electroestático directo es aplicado se reduce la diferencia 푉푏푖−푉퐼 ; pero
cuando se aplica un potencial electroestático inverso se incrementa el término 푉푏푖−푉푅 . Las
figuras 1.1.3 (a) y (b) muestra concentración de portadores de carga en una unión p-n bajo
condiciones de polarización directa e inversa respectivamente. Note que las densidades de de
portadores minoritarios en las fronteras (−푥푝푦 푥푛) se incrementan sustancialmente por arriba
de sus valores de equilibrio bajo polarización directa, mientras que decrece por debajo de ls
valores de equilibrio bajo polarización inversa.

(a) Polarización directa (b) polarización inversa
Figura 1.1.3 región de agotamiento
Bajo polarización inversa, el voltaje aplicado incrementa el potencial electroestático a través
de la región de agotamiento como se muestra en la parte de la figura 1.1.3. esto reduce
gradualmente la corriente de difusión, resultando una corriente pequeña por la ecuación de
continuidad y su solución y las soluciones de frontera obtenemos para la región neutral n,
퐽푃 (푥푃 ) y para una región neutral p, 퐽푃 (−푥푛)

Figura 1.1.4 distribuciones de portadores minoritarios inyectados y corrientes de electrones y huecos
(a) polarización directa. (b) polarización inversa. La figura ilustra corrientes ideales para dispositivos
prácticos, las corrientes no son constantes a través del espacio cargado.
Las gráficas de la figura 1.1.4 ilustran que los portadores minoritarios inyectados se
recombinan con los portadores mayoritarios mientras que los portadores minoritarios se
mueven más allá de las fronteras. Las corrientes de electrones y huecos son mostradas en la
parte baja de la figura 2. La corriente de difusión de huecos decaerá exponencialmente en la
región n con longitud de difusión 퐿푛.
La corriente total es constante a través del dispositivo y es la suma de 퐽푝 (푥푛) y 퐽푛(−푥푝 ):
퐽 = 퐽푝 (푥푛) + 퐽푛 (−푥푝 ) = 퐽푠 (푒
푞푣
⁄푘푇 − 1)

퐽푠 ≡
푞퐷푃푃푛표
퐿 푝
+
푞퐷푛푛푝표
퐿 푛
Donde es la densidad de corriente de saturación
Las características de corriente voltaje ideal son mostradas en las figuras 3a y 3b en el plano
cartesiano y el plano de la escala de semilogarítmica. En la dirección directa con polarización
positiva en el plano p, para 푉 ≥ 3푘푇/푞 la velocidad de crecimiento es constante como se
muestra en la figura 3b. A 300°K el cambio de corriente por década y el cambio de voltaje
ideal es son 60 푚푉 (= 2.3 푘푇/푞). En la dirección inversa la densidad de corriente de
saturación inversa).
Figura 1.1.5 Características corriente voltaje de un diodo semiconductor

REGIÓN ZENER
Existe un punto en donde aplicar un exceso mayor de voltaje se ocasiona un cambio drástico
en las características, como se muestra en la figura 1
En este punto la corriente, se incrementa a un ritmo muy rápido con una dirección opuesta a la
que tienen la región de voltaje positivo. El potencial de polarización inversa que provoca este
cambio dramático de las características del diodo se denomina potencial zener y se la asigna
el símbolo 푉푧.
Figuran 1.1.6 regiones zener
A medida que el voltaje a través del diodo se incrementa sabré la región de polarización
inversa, también se incrementa la velocidad de los portadores minoritarios que son los
responsables de la corriente de saturación inversa 퐼푠 . En algunas ocasiones su velocidad y su
energía cinética asociada (푊퐾 = 1
2
푚푣2) serán lo suficiente grandes como para liberar
portadores adicionales mediante colisiones con estructuras atómicas de otro modo estables.
Esto es resultara un proceso de ionización por medio de que los electrones d valencia absorben
energía suficiente para dejar al átomo padre. Estos portadores adicionales pueden ayudar así al
proceso de ionización, hasta el punto de en qué se establezca una elevada corriente de
avalancha y se determine la región de rompimiento de avalancha.
La región avalancha (푉푧) puede trasladarse muy cerca del eje vertical incrementado los niveles
de dopado en los materiales tipo p y tipo n. sin embargo, así como 푉푧 decrece a niveles muy

bajos, tanto como -5V, otro mecanismo, llamado rompimiento zener, contribuirá el agudo
cambio en la característica. Esto ocurre debido a que existe un intenso campo eléctrico en la
región de la unión que puede romper las fuerzas de enlace dentro del átomo y "generar"
portadores. Aunque el mecanismo de rompimiento Zener sólo es un contribuyente
significativo a niveles menores de Vz' este agudo cambio en la característica a cualquier nivel
se conoce como región Zener, y aquellos diodos que emplean esta única parte de la
característica de una unión p-n se denominan diodos Zener. Estos se describen con detalle en
la sección 1.2. La región Zener del diodo semiconductor descrito debe evitarse si la respuesta
de un sistema no va a ser alterada completamente por el brusco cambio en las características
de esta región de voltaje de polarización inversa. El máximo potencial de polarización inversa
que puede aplicarse antes de entrar en la región Zener se denomina voltaje pico inverso (o
simplemente VPI nominal). Si una aplicación requiere de un VPI nominal mayor que el de una
sola unidad, varios diodos de las mismas características pueden conectarse en serie. Los
diodos s también se conectan en paralelo para aumentar la capacidad conductora de corriente.
1.2 DIODO ZENER
La región Zener de la figura 1.1.6 se trató con algún detalle en anteriormente. Las
características descienden de manera casi vertical al potencial de polarización inversa
denominado Vz. El hecho de que la curva decaiga tan bajo y lejos del eje horizontal en lugar
de hacerlo en dirección opuesta hacia la región positiva de VD' revela que la corriente en la
región Zener tiene una dirección opuesta a la de un diodo polarizado directamente.
Figura 1.2.1 revisiones de la región zener.

Esta región de características únicas se emplea en el diseño de diodos Zener los cuales se
representan con el símbolo gráfico que aparece en la figura 1.2.1 Tanto el diodo
semiconductor como el diodo Zener se presentan uno al lado del otro en la figura 1.2 para
asegurar que la dirección de conducción de cada uno se comprende con claridad junto con la
polaridad requerida del voltaje aplicado. Para el diodo semiconductor, el estado "activo" o de
"encendido" mantendrá una corriente en la dirección de la flecha del símbolo. Para el diodo
Zener, la dirección de conducción es opuesta a la de la flecha en el símbolo. Nótese también
que la polaridad de VD Y Vz es la misma que se obtendría si cada uno fuera un elemento
resistivo.
Figura 1.2.2 direcciones de conducción (a) diodo zener; (b) diodo semiconductor.
La ubicación de la región Zener puede controlarse variando los niveles de dopado. Un
incremento en el dopado que produce un aumento en el número de impurezas agregadas,
disminuirá el potencial Zener. Los diodos Zener se obtienen con potenciales Zener de 1.8 a
200 V Y valores nominales de potencia de 1/4 a 50 W. Debido a su más alta temperatura y a
su capacidad de corriente, suele preferirse el silicio en la fabricación de los diodos Zener.
El circuito equivalente completo del diodo Zener en la región del mismo nombre incluye una
pequeña resistencia dinámica y una batería de cd igual al potencial Zener, como se ilustra en la
figura 1.2.2a Sin embargo, en todas las aplicaciones que siguen deberemos suponer, como una
primera aproximación, que los resistores externos tienen una magnitud mucho mayor que la
del resistor equivalente Zener y que el circuito equivalente es simplemente el que se indica en
la figura 1.2.2b

Figura 1.2.3 circuito equivalente zener. (a) Completo; (b) aproximado.
En la figura 1.2.4 se presenta un dibujo ampliado de la región Zener para permitir la
descripción de los datos del fabricante del diodo Zener de la tabla 1.4 correspondientes al
diodo IN961, Fairchild, de 500-mW, 20%.
Figura.1.2.4 características del diodo zener bajo prueba (Fairchild IN961).

El término "nominal" asociado con Vz indica que se trata de un valor promedio típico. Puesto
que éste es un diodo al 20%, es posible esperar que el potencial Zener varíe entre 10 V ± 20%
o de 8 a 12 V en su gama de aplicación. Se dispone también de diodos al 10 y 5% con las
mismas especificaciones. La corriente de prueba 퐼푍푇 es la corriente definida por el nivel de 1/4
de potencia y 푍푍푇 es la impedancia dinámica para este nivel de corriente. La máxima
impedancia en la rodilla Zener se presenta en la corriente de rodilla Zener 퐼푍퐾 La corriente de
saturación inversa se proporciona a un nivel de potencial particular e 퐼푍푀es la corriente
máxima para la unidad de 20%.
El coeficiente de temperatura refleja el cambio porcentual en 푉푍 con la temperatura.
Se define mediante la ecuación
푇퐶 = Δ푉푍
푉푍 (푇1−푇0)
푋 100% (3.1)
donde; 1Vz es el cambio resultante en el potencial Zener debido a la variación de temperatura.
Nótese en la figura 1.51a que el coeficiente de temperatura puede ser positivo, negativo o
incluso cero para diferentes niveles Zener.

coeficiente de temperatusa versus corriente impedancia dinámica versus corriente zener
(a) (b)
Figura 1.2.5 Características eléctricas de un diodo zener Fairchild de 500 mW (cortesía de
Fairchild camera and instrument corporation)

1.3.-DIODO TÚNEL
En junio de 1958 Leo Esaki físico japonés de la firma Sony hace el reporte sobre el invento de
un nuevo dispositivo semiconductor. En ese momento se observa un comportamiento atípico.
Al aumentar el valor de la tensión se encuentra que en cierta región la corriente disminuye en
vez de aumentar. Es como si tuviera una resistencia negativa.
Ya en 1973 trabajo para IBM, Esaki gana el premio Nobel de la física por sus trabajos en el
estudio del tunelamiento en la mecánica cuántica.
Fabricación y características
El diodo túnel se fabrica dopando el material semiconductor que formará la unión p-n en un
nivel de cien a miles de veces mayor que un diodo semiconductor típico. Esto producirá una
región de agotamiento bastante reducida del orden de magnitud de 1 푥10−6cm o por lo común
alrededor de
1
100
del ancho de esta región para un diodo semiconductor común. Es en esta
delgada región de agotamiento donde muchos portadores pueden "pasar a través de un túnel",
en vez de intentar superarla a potenciales de polarización directa bajos que explican el pico en
la curva de la figura 1.3.1. Con fines comparativos, la característica de un diodo
semiconductor típico se ha superpuesto a la característica del diodo túnel de la figura 1.3.1
Figura 1.3.1 Características del diodo túnel

Esta reducida región de agotamiento produce portadores que "atraviesan perforando" a
velocidades que superan en mucho a las que se producen en los diodos convencionales. El
diodo túnel puede, por lo tanto, utilizarse en aplicaciones de alta velocidad como en las
computadoras, donde se requieren tiempos de conmutación del orden de nanosegundos o
picosegundos.
Los materiales semiconductores que se emplean con mayor frecuencia en la manufactura de
diodos túnel son el germanio y el arseniuro de galio. El cociente 퐼푝/Iv es muy importante en las
aplicaciones de computadora. Para el germanio es por lo general de 10:1, en tanto que para el
arseniuro de galio se acerca a 20:1.
La corriente máxima, 퐼푝 del diodo túnel puede variar de unos cuantos microamperes a varios
cientos de amperes. Sin embargo, el voltaje máximo está limitado a aproximadamente 600
mV. Por esta raz6n, un simple VOM con un potencial de batería de cd interna de 1.5 V puede
dañar seriamente un diodo túnel si se emplea en forma inadecuada.
Circuito equivalente y especificaciones
El circuito equivalente del diodo túnel en la región de resistencia negativa se presenta en la
figura 1.3.2, con los símbolos que se emplean con mayor frecuencia para dichos dispositivos.
Los valores para cada parámetro corresponden al diodo túnel lN2939 GE, cuyas
especificaciones aparecen en la tabla 1.1. El inductor Ls se debe principalmente a las
terminales. El resistor Rs es producto de las terminales del contacto óhmico en la unión del
semiconductor y de los propios materiales semiconductores. La capacitancia e es la
capacitancia de difusión de la unión y la R es la resistencia negativa de la región. La
resistencia negativa encuentra aplicaciones en los osciladores.

Figura 1.3.2 Diodo túnel. a) Circuito equivalente b) símbolos
Tabla 1.3.1 Especificaciones
Adviértase la longitud de las terminales de
1
8
plg incluida en las especificaciones. Un aumento
en esta longitud causará un incremento en Ls. En realidad, ya se señaló que para este
dispositivo Ls variará de 1 a 12 nH, dependiendo de la longitud de las terminales. A
frecuencias altas (XLs = 21휋 fLs) este factor puede ocasionar pérdidas.

El hecho de que 푉푓푝 = 500 mV (típicos) e 퐼푠푒푛푡푖푑표 푑푖푟푒푐푡표 (máx) = 5 mA indica que los diodos
túnel son dispositivos de baja potencia [PD = (0.5)(5 mA) = 2.5 mW] que es también
excelente para aplicaciones de computadora. En la figura 1.3.3 aparece una representación del
dispositivo.
Figura 1.3.3 Diodo túnel In2937 Ge. (Cortesía General Electric Corporation.)
Aunque el empleo de los diodos túnel en los sistemas actuales de alta frecuencia se ha
interrumpido en forma drástica por las técnicas de manufactura que proponen alternativas para
dicho diodo, su simplicidad, linealidad, bajo consumo de potencia y confiabilidad aseguran su
continua aparición en las aplicaciones. En la figura 1.3.4 aparece la construcción básica de
diodo túnel de diseño avanzado.
Figura 1.3.4 Construcción de un diodo túnel (Cortesía de COM-SAT Technical Review, P. F.
Varadi y T. D. Kirkendall.)

Gráfica voltaje contra corriente y recta de carga
En la figura 1.3.5 el voltaje de fuente seleccionado así como la resistencia de carga define una
recta de carga que intersecta las características del diodo túnel en tres puntos.
Téngase presente que la recta de carga se determina únicamente por la red, y las características
por el dispositivo. Las intersecciones en a y b se conocen como puntos de operación estables,
debidas a la característica de resistencia positiva. Es decir, a cualquiera de estos puntos de
operación, un ligero disturbio en la red no establecerá oscilaciones en la red o resultará en un
cambio significativo en el sitio del punto Q. Por ejemplo, si el punto de operación definido se
encuentra en b, un ligero incremento en el voltaje de la fuente E trasladará el punto de
operación arriba de la curva puesto que se incrementa el voltaje a través del diodo. Una vez
que el disturbio ha pasado, el voltaje a través del diodo y la corriente de diodo asociada
retornará a los niveles definidos por el punto Q en b.
Figura 1.3.5 Diodo túnel y la recta de carga resultante
El punto de operación definido por E es inestable debido a que un ligero cambio en el voltaje o
la corriente a través del diodo darán como resultado que el punto Q se mueva ya sea hacia a o
hacia b. Por ejemplo, el más ligero cambio en E ocasionará que el voltaje a través del diodo

túnel se incremente sobre su nivel en c. Sin embargo, en esta región, un aumento en VT dará
como resultado una disminución en IT y un incremento adicional en VT. Este nivel
incrementado en VT resultará en una disminución continuada en IT ' y así sucesivamente. El
resultado es un aumento en VT y un cambio en IT hasta que se ha establecido el punto de
operación estable en b. Una ligera caída en el voltaje de la fuente resultaría en una transición
para estabilidad en el punto a. En otras palabras, el punto e se puede definir como el punto de
operación que utiliza la técnica de la recta de carga, pero una vez que el sistema se energiza
(se le aplique energía) eventualmente se estabilizará en el punto a o b.
Aplicaciones del diodo túnel
En la figura 1.3.6a se aprecia la construcción de un oscilador de resistencia negativa haciendo
uso de un diodo túnel. La elección de los elementos de la red está diseñada para establecer una
recta de carga como la que se ilustra en la figura 1.3.6b. Adviértase que la única intersección
con las características se encuentra en la inestable región de resistencia negativa (no se ha
definido un punto de operación estable). Cuando se conecta la energía, el voltaje terminal de la
fuente se incrementará desde OV hasta un valor final de E volts.
En forma inicial, la corriente IT se incrementará de O mA hasta Ip, dando por resultado un
almacenamiento de energía en el elemento inductor en la forma de un campo magnético. Sin
embargo, una vez que Ip se ha alcanzado, las características del diodo sugieren que la corriente
IT debería decrecer ahora con el incremento en el voltaje a través del diodo. Esta es una
contradicción por el hecho de que si ambos elementos de la ecuación anterior decrecen, sería
imposible para el voltaje de la fuente alcanzar su valor establecido. Por lo tanto, para que la
corriente IT continúe ascendiendo, el punto de operación debe desplazarse del punto 1 al 2. Sin
embargo, en el punto 2 el voltaje Vr ha saltado a un valor mayor que el del voltaje aplicado (el
punto 2 se halla a la derecha del cualquier punto sobre la recta de carga de la red).

Figura 1.3.6 Oscilador de resistencia negativa
퐸 = 퐼푇 푅 + 퐼푇 (−푅푇 )
퐸 = 퐼푇 (푅 − 푅푇 )
Para satisfacer la ley Kirchhoff del voltaje, la polaridad del voltaje transitorio a través de la
bobina debe invertirse y la corriente comenzar a decrecer, como se ilustra en la curva del
punto 2 al 3 sobre las características. Cuando Vr decae a Vv' las características sugieren que la
corriente IT comenzará a incrementarse de nuevo. Esto es inaceptable puesto que VT es aún
mayor que el voltaje aplicado y la bobina se encuentra descargando a través del circuito en
serie. El punto de operación debe desplazarse hacia el punto 4 para permitir una continuación
del decremento en Ir. Sin embargo, una vez en el punto 4 los niveles de potencial son de tal
magnitud que la corriente túnel puede incrementarse de nueva cuenta de O mA a Ip, como se

muestra sobre las características. El proceso se repetirá por sí mismo una y otra vez, sin
establecerse nunca en el punto de operación definido para la región de inestabilidad. El voltaje
resultante a través del diodo túnel aparece en la figura 1.3.6c y continuará en tanto la fuente de
cd se encuentre activada. El resultado es una salida oscilatoria establecida por una fuente fija y
un dispositivo con una característica de resistencia negativa. La forma de onda de la figura
1.3.6c tiene una extensa aplicación en circuitería de temporización y de lógica de
computadoras.
Un diodo túnel también puede utilizarse para generar un voltaje sinusoidal simplemente por
medio del uso de una fuente de cd y algunos elementos pasivos. En la figura 1.3.7 a al cerrar el
interruptor se provoca un voltaje sinusoidal que decrecerá en amplitud con el tiempo.
Dependiendo de los elementos empleados, el periodo de tiempo puede ser casi instantáneo o
con una magnitud de minutos al utilizar valores de parámetros típicos. Esta amortiguación de
la salida oscilatoria con el tiempo se debe a las características disipativas de los elementos
resistivos. Al colocar un diodo túnel en serie con un circuito tanque, como se ilustra en la
figura 1.3.7, la resistencia negativa del diodo túnel compensará las características resistivas del
circuito tanque, resultando en la respuesta no amortiguada que aparece en la misma figura.
Figura 1.3.7 Oscilador senoidal.

El diseño debe continuar para dar por resultado una recta de carga que intersectará las
características solamente en la región de resistencia negativa. En otro enfoque, el generador
sinusoidal de la figura 1.3.7 es simplemente una extensión del oscilador de pulso de la figura
1.3.6, con la adición del capacitor para permitir un intercambio de energía entre el elemento
inductor y el capacitor durante las diversas fases del ciclo representado en la figura 1.3.6b.
1.4.-DIODO VARACTOR
El diodo varactor o varicap tiene la función de sustituir el tradicional condensador variable
montado en la mayoría de los receptores de radio. Mientras que en la práctica, en el
condensador variable, el mando de sintonía es el eje del condensador, el elemento de control
del diodo varicap es el eje de un potenciómetro.
Descripción
Entre el diodo varicap y el semiconductor normal existe una gran semejanza. Su estructura
interna tampoco varía mucho, porque cualquier diodo normal se comporta, con mas o menos
eficiencia que un diodo varicap. No obstante, para obtener variaciones de capacidad
utilizables, es necesario usar los verdaderos varicaps, diseñados y fabricados específicamente
para esta función.
Características y comportamiento
El comportamiento de los diodos varicap depende de la formación, en la zona de unión, de dos
capas de cargas eléctricas que se pueden asimilar a las placas de un condensador. Estas capas
están separadas por una zona que en la figura 1.4.1, está indicada con la letra d de “depletion
layer”, o sea, capa de empobrecimiento o de agotamiento. Por lo tanto, la zona d está
desprovista de cargas eléctricas, por lo que se comporta como aislante, de forma totalmente
análoga al dieléctrico de un condensador.

Figura 1.4.1.-A) Cuando el diodo varicap esta polarizado en sentido inverso con un voltaje de corriente
continua baja, La zona de separación d entre las placas cargadas es estrecha y la capacidad de del componente
es alta. B) cuando la tensión es elevada, la zona d es ancha y el diodo varicap tiene una capacidad baja.
En la figura 1.4.1a, el varicap es alimentado con una tensión de 1.5 V, mientras que la tensión
aplicada en el varicap de la figura 1.4.1b es alimentado con 25 V. En ambos esquemas, los
diodos están polarizados en sentido inverso es decir con el positivo aplicado a sus cátodos y el
negativo aplicados a sus ánodos. En consecuencia, por los diodos no puede circular corriente.
Esta polarización es la que produce la zona aislante entre los dos electrodos del varicap.
En la figura 1.4.1, puede apreciarse otro fenómeno importante: la variación de la capacidad en
función de la magnitud de la tensión inversa aplicada a sus terminales. En efecto, con la
tensión inversa de 1,5 V, la zona d es estrecha, pero la tensión más elevada de 25 V, la zona d
es mucho más amplia. Esto significa que la capacidad del varicap es mayor con tensiones
inversas bajas que con tensiones altas. Este fenómeno es parecido al que se produce en un
condensador variable, cuya capacidad es mayor cuando las láminas móviles están encaradas
completamente con las láminas fijas y es menor en el caso contrario. En conclusión cuando se
hace variar adecuadamente la tensión inversa aplicada a las terminales de un diodo varicap, se
obtienen valores capacitivos distintos, por lo que se comporta como un condensador variable.
Para hacer variar la tensión de corriente continua aplicada al diodo varicap, tiene que
emplearse una resistencia variable, obteniéndose que para la máxima tensión, obtenemos una
capacidad mínima y para la tensión mínima, la capacidad máxima.

Tabla1.4.1. Características de varios tipos de diodos varicap o varactor.
MODELO CAPACIDAD
MÍNIMA PF
CAPACIDAD
MÁXIMA pF
Vcc INVERSA
MÁXIMA
BA102 15 60 30
BA138 5 15 30
BA182 1 5 25
BB103 5 45 30
BB104 15 70 30
BB105 1 18 25
BB109 5 45 30
MVAM115 25 500 15
MVAM125 25 500 25
1.5.-DIODO PIN
Introducción
El diodo p-i-n presenta una región p y una región n altamente dopadas, y separadas por una
región intrínseca con resistividad más elevada que las regiones p y n. Estos dispositivos son
ampliamente usados en aplicaciones tales como desplazadores de fase y conmutadores de
señales microondas. Los dispositivos diseñados con diodos p-i-n se destacan por bajas
pérdidas de insercción y elevado desempeño en altas frecuencias. A estas frecuencias el diodo
tiene una impedancia muy alta cuando esta inversamente polarizado (circuito abierto) y una
impedancia muy baja cuando esta polarizado en sentido directo (corto circuito). Además, las
tensiones de ruptura están comprendidas en el margen de 100 a 1000 V.

Estructura del diodo p-i-n
El diodo tiene una alta resistividad en la parte media de la zona p o n. Mientras que existe una
baja resistividad en los límites en las zonas p y n.
La nomenclatura p+ y n+ indica un alto dopaje de materiales p y n respectivamente. Se utilizan
las letras griegas “π” y “v” para los materiales altamente resistivos y ligeramente dopados p y
n respectivamente. El material usado en la región I puede ser tipo “π” o “v”. En la práctica,
generalmente se utiliza silicio como el material semiconductor, el cual no es perfectamente
intrínseco. Utilizando cualquiera de estas dos estructuras no se presentan cambios en el
desempeño del dispositivo.
En la figura 1.5.1 se presentan dos estructuras posibles del diodo p-i-n, la estructura p+, π, n+
y la p+, v, n+. La figura 1.5.1b muestra el perfil de impurezas de un diodo p-i-n con estructura
p+, π, n+, en el cual la región intrínseca de alta resistividad concentra pocos átomos de
impureza tipo n que se ionizan, mientras que la región de agotamiento se extiende a lo largo de
la región intrínseca incluyendo una pequeña cantidad de penetración en ambas regiones p y n.
La región de agotamiento no se extenderá mas allá de los límites de la región I debido al
elevado dopaje de las regiones p+ y n+, siendo la zona de agotamiento esencialmente igual al
ancho de la capa I, “W”. La unión PN que se forma será en la zona p+.
Con esto se puede decir que una característica importante del funcionamiento del diodo p-i-n
radica en la ampliación de la zona de agotamiento que se obtiene mediante la ionización de la
misma.
En la figura 1.5.1d se muestra la estructura p+, π, n+, la cual tiene una región intrínseca con
concentración de impurezas de material tipo p+. El ancho de la zona de agotamiento es muy
semejante al ancho W de la región I, y la unión PN que se encuentra en la zona n+.

Figura 1.5.1. Perfiles de los tipos de diodo p-i-n, (a) capacitancia aproximada de circuito equivalente,
(b) cristal v-n, (c) perfil de impurezas p-v-n, (d) cristal p-π-n, y (e) perfil de impurezas p-π-n.
Características de diodo p-i-n
Por sus características, el diodo p-i-n puede ser utilizado como conmutador o como modulador
de amplitud en frecuencias de microondas. La principal ventaja del diodo p-i-n frente a un
diodo convencional es la mejora en la respuesta de conmutación de señales microondas.
También se le utiliza para conmutar corrientes muy intensas y/o tensiones muy grandes. La
figura 1.5.2 muestra el diagrama físico y el circuito equivalente del diodo.

Figura 1.5.2. Esquema (a) físico del diodo p-i-n y (b) circuito equivalente de diodo.
1.6.- DIODO SCHOTTKY
Es un dispositivo que tiene una caída de voltaje directa (VF) muy pequeña, del orden de .3
Volts o menos. Operan a muy altas velocidades y se utilizan en fuentes de potencia, circuitos
de alta frecuencia y sistemas digitales. Reciben también el nombre de diodos de recuperación
rápida (fast recovery) o de portadores calientes. En la figura 1.6.1 uno se muestra el
encapsulado comercial de un diodo Schottky.
Figura 1.6.1. Encapsulado comercial de un diodo Schottky.

Funcionamiento
Cuando se realiza una ensambladura entre una terminal metálica y un material semiconductor,
el contacto tiene, típicamente, un comportamiento óhmico cualquiera, la resistencia del
contacto gobierna la secuencia de la corriente. Cuando este contacto se hace entre un metal y
una región semiconductora con la densidad del dopante relativamente baja, las hojas
dominantes del efecto debe ser el resistivo, comenzando también a tener un efecto de
rectificación. Un diodo Schottky, se forma colocando una película en contacto directo con un
semiconductor, según lo indicado en la figura 1.6.2. El metal se deposita generalmente en un
material de tipo N, debido a que la movilidad de los portadores de carga de este material es
más grande. La parte metálica será el ánodo y el semiconductor el cátodo.
Figura 1.6.2. Construcción y símbolo de un diodo Schottky.
En una deposición de aluminio Al (3 electrones en la capa de valencia), los electrones del
semiconductor tipo N migran hacía el metal, creando una región de transición en la
ensambladura Se puede observar que solamente los electrones (los portadores mayoritarios de
ambos materiales) están en tránsito. Su conmutación es mucho más rápida que la de los diodos
bipolares, una vez que no existan cargas en la región tipo N, siendo necesaria rehacer la
barrera de potencial (típicamente de 0,3V). La Región N tiene un dopaje relativamente alto, a
fin de reducir la pérdida de conducción, por esto, la tensión máxima soportable para este tipo
de diodo está alrededor de los 100V.

Aplicaciones
- En fuentes de baja tensión en la cuales las caídas en los rectificadores son significativas.
- Circuitos de alta velocidad para computadoras donde se necesiten grandes velocidades de
conmutación y mediante su poca caída de voltaje en directo permite poco gasto de energía.
- Variadores de alta gama para que la corriente que vuelve desde el motor al variador no pase
por el transistor del freno y este no pierda sus facultades.
- El diodo Schottky se emplea en varios circuitos integrados de lógica TTL.
Por ejemplo los tipos ALS y AS permiten que los tiempos de conmutación entre los
transistores sean mucho menores puesto que son más superficiales y de menor tamaño por lo
que se da una mejora en la relación velocidad/potencia. El tipo ALS permite mayor potencia y
menor velocidad que la LS, mientras que las AL presentan el doble de velocidad que las
Schottky TTL con la misma potencia.
Desventajas
Las dos principales desventajas del diodo Schottky son:
- El diodo Schottky tiene poca capacidad de conducción de corriente en directo. Esta
característica no permite que sea utilizado como diodo rectificador. Hay procesos de
rectificación (por ejemplo fuentes de alimentación) en que la cantidad de corriente que tiene
que conducir en sentido directo es bastante grande.
- El diodo Schottky no acepta grandes voltajes que lo polaricen inversamente (VCRR).
El proceso de rectificación antes mencionado también requiere que la tensión inversa que tiene
que soportar el diodo sea grande. En la figura 1.6.3 se muestran dos curvas características de
un diodo Schottky.

Figura 1.6.3. Curvas características de un diodo schottky comercial.
1N5819

2. DISPOSITIVOS ÓPTICOS
La presente sección tratara sobre los dispositivos optoelectrónicoas, que son aquellos que
trabajan conjuntamente con seáles electrónicas u ópticas. Más concretamente son capaces de
transformar señales electrónicas en ópticas o viceversa. Como ejemplo tenemos la lámpara
incandesente, más comúnmente conocida como bombilla o lampara fluorescente, ambos
transforman una señal eléctrica o electrónica en luz, es decir, transforman electrones en
fotones. En lado opuesto tenemos, por ejemplo, una célula solar que hace la función contraria,
transforma fotones en electrones.
2.1 FOTODIODO
Interacción de la luz con un semiconductor.
Los dispositivos detectores de luz de tipo semiconductor se basan en la colección en un
circuito eléctrico externo de los portadores de carga generados por los fotones absorbidos
dentro del material.
En términos generales se puede decir que los que los materiales están formados por cargas
eléctricas positivas y negativas (iones y electrones) enlazados entre sí por enlaces elásticos,
por tanto, el campo eléctrico de la luz ejerce una fuerza en estos materiales que tiende a
separar las cargas positivas de las negativas. Este fenómeno, conocido como la polarización
de la materia, da lugar a la formación de dipolos eléctricos, originados por el desplazamiento
en sentido opuesto de las cargas positivas y negativas de los átomos y moléculas cuando se
aplica un campo eléctrico. La susceptibilidad eléctrica, X, de un material cuantifica la
facilidad con la que el sistema de carga se polariza bajo la acción de un campo eléctrico
externo F. para campos pequeños (intensidades de luz bajas) la polarización eléctrica inducida
P (suma de los momentos dipolares por unidad de volumen) el proporcional al campo
eléctrico:

푃 = 휖0 푋퐹 (2.1)
Donde 휖0 es la contante dieléctrica del vacío (휖0 = 8,854188푥10−12퐶 2푁− 1푚−2). La
susceptibilidad de un medio durante la velocidad de propagación de la luz a través del
material, ya que aumenta el índice de refracción. La susceptibilidad depende de la frecuencia
de la luz debido a los diferentes mecanismos de polarización que participan en el medio de
propagación. Así, a frecuencias altas las moléculas, con mayor masa que los electrones, apenas
se mueven y la mayor contribución a la polarización procede de los electrones de las capas
atómicas más externas. Además, a determinadas frecuencias que son características del
material que se producen fenómenos de resonancia asociados, bien sea a la vibración de las
moléculas o a la de los electrones. A estas frecuencias la luz es absorbida por el material
requiere conocer la estructura electrónica completa. No obstante, en la región del visible y
ultravioleta la luz interacciona fundamentalmente con los electrones menos ligados de los
átomos (electrones de valencia), es decir, aquellos responsables de la estructura química o dela
conducción de carga eléctrica en los materiales.
Los principales efectos del material sobre la luz se pueden resumir en los siguientes
fenómenos, representados esquemáticamente en la figura 2.1.1, donde hemos supuesto el caso
más general de un material (sustrato) con una capa delgada depositada encima:
Fig. 2.1.1 posibles efectos de una capa delgada sobre un haz de luz incidente sobre ella.

Reflexión y refracción: cambio en la dirección de propagación que ocurre en las intercarás
entre dos medios distintos. En una capa delgada la reflexión se produce en las intercarás aire-capa
y capa-substrato (reflexión interna).
Interferencia y difracción: son dos fenómenos que se deben a la naturaleza ondulatoria de la
luz. La difracción es el cambio de dirección de la luz cuando dos ondas inciden en el mismo
punto.
Absorción: los fotones son absorbidos por el material y su energía se transforma en excitación
de electrones a niveles de energías superiores, vibraciones moleculares, etc.
Esparcimiento: los fotones sufren un cambio en la dirección de propagación por interacción
con los inhomogeneidades o fluctuaciones en la susceptibilidad eléctrica del material.
Emisión: el material emite luz propia cuando se le aporta energía fuera del equilibrio térmico
(luminiscencia) o mediante calor (incandescencia). Cuando la luminiscencia se produce por el
paso de una corriente eléctrica se denomina electroluminiscencia.
Fotoconductividad: la absorción de luz en un semiconductor puede inducir un aumento de los
portadores de carga que aumenta la conductividad.
Una característica de los materiales semiconductores es que cuando interaccionan con fotones
por debajo de una cierta energía (energía del borde absorción, 퐸푔 ), situada en el infrarrojo,
visible o incluso el ultravioleta, no hay ninguna absorción y el material es transparente
(excepto en los infrarrojos donde puede haber absorción asociada a la excitación de las
vibraciones de la red y de los portadores libres). Además algunos semiconductores emiten luz
intensa para energía 퐸 ≈ 퐸푔 cuando son excitados, lo que les hace muy interesante para
aplicaciones como emisores de luz y láseres.
Y en los semiconductores no dopados la anchura de la banda prohibida, 퐸푔determina la
máxima longitud de onda detectable (휆푚푎푥 = ℎ푐/퐸푔 ). Por tanto, para valores mayores de la
longitud de onda (휆 > 휆푚푎푥 ) el material se hace trasparente y no hay absorción de fotones ni

generación de pares electrón-hueco. Para longitudes de onda mucho más corta (휆 ≪ 휆푚푎푥) el
coeficiente de absorción aumenta hasta alcanzar valores muy elevados y los fotones se
absorben muy cerca de la superficie. En el caso de del os detectores de unión p-n, este echo
impiden que los fotones alcancen la región de la unión, disminuyendo con ello la insuficiencia
en la generación de portadores.
Dispositivos detectores de luz
El silicio es un buen material en el espectro ultravioleta, visible e infrarrojo, en el rango de
longitudes de onda desde 300 nm hasta 1,1휇푚, ya que tiene un gap de 1,12 eV y puede
absorber fotones con energía por encima de este valor. Sin embargo, para longitudes de ondas
menores de 300 nm (4 eV) el silicio se deteriora, por lo que se recurre a otros materiales de
banda prohibida estrecha, como el nitruro de galio (GaN). En la zona infrarroja se utilizan
materiales de bandas prohibidas estrechas, como el arseniuro de indio (InAs), el sulfuro de
plomo (PbS) o el telurio de cadmio y mercurio (HgCdTe). Este último material permite
detectar longitudes de onda de hasta 12 휇푚.
Actualmente los detectores están formados por varias por varias capas delgadas de
semiconductores con distintas composiciones y dopajes. Además, se añaden otras capas
aislantes, como los reflejantes anti reflejantes para disminuir las perdidas por reflexión, los
filtros multicapa para modular la respuesta espectral, y capas metálicas para formar los
contactos eléctricos con el circuito externo.
Fotodiodo.
Otro tipo de detectores son fotodiodos, que tienen una respuesta más rápida y de mayor
sensibilidad que los fotoconductores. Un fotodiodo véase la figura 2.1.2 es básicamente un
diodo operando en polarización inversa con un voltaje relativamente alto para evitar el paso de
los portadores mayoritarios de un lado a otro de la unión. En un ausencia de luz el efecto
rectificador del diodo impide el paso de corriente de oscuridad es muy pequeña.

Figura 2.1.2. a) Proceso de generación de pares electrón-hueco por absorción de luz en la región de
carga espacial de un diodo fotodetector. b) Medida de la curva característica I-V del diodo en
iluminación. La línea a trozos representa la curva característica en oscuridad. El punto Q corresponde
al caso del diodo funcionando como célula solar.
Cuando un diodo se ilumina con radiación de energía suficiente se crean pares electrón-hueco
a ambos lados de dela unión como consecuencia de la excitación de portadores desde la banda
de valencia a la de conducción. Los portadores generados a uno y otro lado a distancias
grandes de la unión no producen efectos apreciables en las características del diodo. En
cambio, los pares electrón-hueco generados, bien sea dentro de la región de carga especial o
bien a una distancia de la unión menor que la correspondiente longitud de difusión, son
arrastrados hacia el lado opuesto a causa del campo eléctrico presente en la unión. El exceso
de carga creado en las regiones neutras a cada lado de la unión origina una diferencia de
potencial, 푉푂퐶 , que tiene la misma polaridad que el diodo, es decir, lado p positivo y lado n
negativo.
Este proceso de separación de los portadores se conoce como efecto fotovoltaico, y los diodos
que emplean este efecto para detectar la presencia de radiación se denominan a su vez
fotodiodos (figura 2.1.2.a)

Un diodo operando con un cierto voltaje aplicado, V, en presencia de radiación
electromagnética capaz de excitar portadores a través de la banda prohibida dejara pasar una
intensidad i dada por:
퐼 = 퐼0 [푒푥푝 (
푞푉
푘푇
) − 1] − 퐼퐿 (2.2)
Donde el primer término representa la corriente típica de un diodo, es decir, la corriente en
oscuridad y el segundo termino 퐼퐿 representa la corriente debida a los portadores generados.
Este término viene precedido del signo negativo porque el movimiento de estos portadores se
verifica en la misma dirección que la de los portadores minoritarios, esto es, con el mismo
sentido que la corriente en inversa del diodo. El valor de 퐼퐿 puede calcularse a través de la
ecuación:
퐼퐿 = 푞퐺푆(퐿푒 + 퐿ℎ )
Siendo G el número de portadores generados por unidad de volumen y de tiempo y S el área
de la sección transversal del diodo. 퐿푒 Y 퐿ℎ representan las longitudes de difusión de
electrones y huecos.
En la figura 2.1.2.b se ha representado la curva característica I-V de un fotodiodo bajo
iluminación (línea continua). Obsérvese que esta característica está desplazada en una cantidad
퐼퐿, prácticamente constante respecto a la curva en la oscuridad. Los fotodiodos generalmente
operan en el tercer cuadrante, es decir, con polarización negativa y con corriente también
negativa, ya que en esta región la corriente es prácticamente independiente del voltaje y
además proporcional a la velocidad de generación de portadores (siempre que 퐼퐿 >> 퐼0 ). El
dispositivo funciona entonces como detector del nivel de iluminación convirtiendo una señal
óptica en señal eléctrica.
Con objeto de aumentar la velocidad de respuesta del fotodiodo normalmente se reduce la
anchura de la región de agotamiento ya que de esta manera el tiempo de tránsito de los

portadores, 푡푟 es más pequeño. Sin embargo, por otra parte interesa también que la anchura
de esta región sea lo mayor posible ya que así la mayor parte de la radiación se absorbe en esta
región. Por tanto, si se requiere a la vez una alta velocidad de respuesta y una buena eficiencia
en la conversación de la luz absorbida es preciso llegar a un compromiso.
En este sentido se recurre muy a menudo a la utilización de diodos p-i-n, en los cuales la
anchura de la región de agotamiento se puede variar con relativa facilidad ya que ésta viene
determinada fundamentalmente por la anchura de la capa intrínseca.(véase figura 2.1.3.a). En
la figura 2.1.3.b se presenta un diagrama esquemático del corte transversal de un fotodiodo
tipo p-i-n. La región intrínseca está situada muy cerca de la superficie con objeto de aumentar
al máximo la absorción de la radiación en esta región. El contacto metálico superior suele
hacerse utilizando bien sea un material conductor trasparente (el óxido de estaño de indio
puede ser adecuado o bien una capa metálico muy fina en forma de dedos dejando la máxima
superficie del diodo expuesta a la radiación. El dispositivo lleva además una capa
antirreflectante para disminuir al máximo las pérdidas por reflexión de la luz en la superficie
del diodo. Estas capas están formadas por una película transparente de un material aislante
(Si푂2, 푆푖3푁4, etc.) cuyo índice de refracción y espesor son los adecuados para evitar,
mediante un fenómeno de interferencia, la reflexión de la luz.

Figura 2.1.3. a) esquema del proceso de generación de portadores en foto diodo del tipo p-i-n. b)
sección transversal de un fotodiodo p-i-n (obsérvese la disposición del electrodo superior para permitir
el paso de la radiación, y la presencia de una película anti reflejante).
Imagen y composición de un fotodiodo
2.1.4. Diversos tipos de fotodiodo

Los diodos tienen un sentido normal de circulación de corriente, que se llama polarización
directa. En ese sentido el diodo deja pasar la corriente eléctrica y prácticamente no lo permite
en el inverso: es la base del funcionamiento de un diodo. Pero en el fotodiodo la corriente que
está en juego (y que varía con los cambios de la luz) es la que circula en sentido inverso al
permitido por la juntura del diodo. Es decir, para su funcionamiento el fotodiodo es polarizado
de manera inversa. Se producirá un aumento de la circulación de corriente cuando el diodo es
excitado por la luz.
Lo que define las propiedades de sensibilidad al espectro de un fotodiodo es el material
semiconductor que se emplea en la construcción. Los fotodiodos están construidos de silicio,
sensible a la luz visible (longitud de onda de hasta 1,1 μm), de germanio para luz infrarroja
(longitud de onda hasta aproximadamente 1,8 μm), y los hay de otros materiales
semiconductores. El rango de espectro es:
Silicio: 190-1100 nm
Germanio: 800-1700 nm
Indio galio arsénico: 800-2600 nm
Sulfuro de plomo: 1000-3500 nm
Datasheep.
Parte de la hoja, de datos de un fotodiodo PIN se reproduce en la figura 22. A estos datos se
hace referencia a lo largo de esta sección para ilustrar las características de varios fotodiodos.
En la estructura particular de la figura 15, existe una capa I o intrínseca entre los extremos p y
n. Como la región desierta se extiende ligeramente más allá del área dopada, se obtiene una
región desierta más ancha con la estructura PIN. El aumento del ancho de la capa I puede
considerarse como un aumento de la separación de las placas en un condensador; por tanto, la
capacidad de la unión disminuye, ya que la capacidad varía inversamente con la separación.
Así pues, un diodo PIN es mucho más rápido que un diodo convencional p-n. Esta estructura

tiene menor ruido y corriente de oscuridad, además de un rendimiento mayor a longitud de
onda más larga.
2.1.5. Corte de un fotodiodo P-I-N.
Como se muestra en la Figura 21, se obtienen sensibilidades direccionales típicas con lentes y
ventanas planas. Para aplicaciones que requieren una reducción del ángulo de visión, es
preferible el lóbulo direccional estrecho producido por una lente. La adición de una lente no
afecta apreciablemente la respuesta. Sin embargo, las lentes captan luz de un área mayor y la
concentra en el diodo, con un aumento efectivo del área activa.

Sensibilidad direccional relativa
Tabla 2.1.1. Especificaciones de un fotodiodo P-I-N.
Comparando los fotodiodos de unión con fotoconductores de una pieza, se ve que los
fotodiodos poseen considerablemente mejor respuesta en frecuencia, linealidad, respuesta
espectral, y menor ruido. Entre las desventajas del fotodiodo se incluyen: área activa pequeña,
un aumento rápido de la corriente oscura con la temperatura, tensión offset y necesidad de

amplificación para radiaciones de baja potencia.
2.2. DIODO LED
Dispositivos emisores de luz.
Loa dispositivos emisores de luz funcionan al contrario de los detectores de luz que hemos
visto en los apartados anteriores. Es decir, producen un haz de luz cuando pasa corriente a
través de ellos. Estos dispositivos semiconductores se basan en el fenómeno de la
electroluminiscencia.
La electroluminiscencia constituye el fundamento sobre el que se basan los dispositivos
emisores de luz de estado sólido, esto es, los diodos emisores de luz, los láseres de diodo y los
paneles electroluminiscentes. Estas fuentes de luz tienen una eficiencia mucho mayor que las
convencionales, basadas en las incandescencia, y están reemplazándoles en algunos sectores
donde la miniaturización y la finalidad son esenciales, como en las señales de tráfico o los
automóviles.
La forma de electroluminiscencia más sencilla conceptualmente consiste en la inyección de
electrones en la banda de conducción y de huecos en la banda de valencia por efecto del paso
de corriente en el material. La recombinación de electrón-hueco produce fotones con una
energía cercana a la del gap del semiconductor. Este proceso es similar a la de la
electroluminiscencia a un que el fenómeno de excitación de los portadores es diferente. La
inyección, y posterior recombinación, de electrones y huecos puede producirse de forma
conveniente en la unión p-n entre dos semiconductores dopados.
En otra forma de electroluminiscencia, la emisión de luz se produce de forma local en
impurezas luminiscentes que dopan el semiconductor. Cuando se ase circular una corriente
eléctrica a través del semiconductor, el impacto de los electrones contra las impurezas hace
que se exciten los electrones de estas a niveles más elevados, produciendo luz en la
desexcitación. Longitud de onda de la emisión está determinada, por tanto, por la naturaleza de
las impurezas. Este tipo de luminiscencia, a diferente de electroluminiscencia en diodos, no

requiere materiales muy controlados y cristalinos, por lo que pueden utilizarse incluso en
forma de polvo. Debido a ello, se sacan partido de este fenómeno en la fabricación de paneles
electroluminiscentes de gran tamaño.
Los diodos emisores de luz o LED (light emitting diodes) tienen un fundamento en un proceso
inverso al de los fotodiodos. Cuando se aplica una polarización directa a un diodo de unión p-n
el campo eléctrico de la unión disminuye, favoreciendo con ello la difusión de portadores
minoritarios hacia el lado opuesto, es decir, electrones hacia la zona p y huecos hacia la zona n
(figura 2.1.). Se crean entonces, en la región más próxima a la unión o zona activa, una
concentración elevada de electrones y huecos que acaban recombinándose para producir
fotones de luz, con una energía próxima a la de la banda prohibida, es decir ℎ푏 = 퐵푔 . La
emisión de luz tiene lugar en un proceso de electroluminiscencia, donde la energía necesaria
proviene del circuito eléctrico externo que, a través de los contactos, suministre electrones y
huecos con la energía potencial necesaria, es decir, electrones a la banda de conducción en el
lado n y huecos en la banda de valencia en el lado p. de esta forma el proceso puede seguir de
manera continua mientras se mantenga el voltaje externo aplicado.
Figura 2.2.1. Procesos de recombinación de portadores minoritarios en una unión p-n polarizada en
directo, con emisión de fotones (diodo LED): a) cuando no existe un voltaje externo aplicado, el campo
eléctrico de la unión impide la difusión de electrones y huecos de un lado al otro d la unión. b) en
polarización directa el campo se reduce, y electrones y huecos fluyen al lado opuesto de la unión.

En general, las transiciones radiactivas están acompañadas de transiciones no reactivas, en las
cuales la energía de los portadores inyectados acaba transformándose en un aumento del
estado de vibración de la red (calor). La estructura de bandas de energía del semiconductor
determina que el gap se ha directo o indirecto. En los semiconductores del gap directo la
transición se verifica sin cambio del momento del electrón. Por el contrario, en los
semiconductores de gap indirecto, la transición tiene lugar a través de un cambio del momento
del electrón mediante la participación de un fonón o vibración de la red cristalina. Aunque
ambas transiciones son radiactivas, la probabilidad de las indirectas es mucho menor que las
directas. Por tanto, otros procesos competitivos no radiactivos son mucho más frecuentes en
los semiconductores de gap indirecto que en los de gap directos.
Entre los semiconductores más conocidos, el silicio y el germanio son de gap indirecto,
mientras que el arseniuro de galio y otros compuestos de los grupos III y V presentan gap
directo. El GaAs tiene una banda prohibida de 1,43 eV y por ello se usa como material
apropiado para LED en la región de infrarrojo (≈ 0,9 휇푚). Esta región del espectro está
haciendo, muy utilizada actualmente en las comunicaciones ópticas mediante fibra óptica, por
los que los LED GaAs están alcanzando un gran desarrollo.
Existen otros semiconductores compuestos, como el Gap o el A1As, que tienen una banda
prohibida con energía, más elevada, aunque son de gap directo. Sim embargo, partiendo de
estos materiales se pueden construir LED que emiten en el visible siempre que se consigue
eliminar las transiciones no radiactivas. Estos materiales también son utilizados para formar
compuestos ternarios con el 퐺푎퐴푠1−푥 푃푥 con una fracción, x, pequeña. Con ellos es posible
aumentar notablemente la anchura de la banda prohibida de GaAs (hasta el valor de 2 eV
aproximadamente) manteniéndose al mismo tiempo el tipo de transiciones directas hasta
concentraciones de P del 40%. En la figura 2.2.2.a se representan a modo de ejemplo la
intensidad luminosa relativa de un LED típico de GaAsP que emite en el rojo (655 nm). La
anchura del espectro tiene un valor de 25 nm aproximadamente, esto es, mucho mayor que la
de los diodos láser según veremos después. En la figura 2.2.2.b se representan la intensidad de

luz en función de la corriente a través del diodo. La intensidad de la luz aumenta con la
corriente, como es de esperar, debido al aumento de la inyección de portadores a la zona de la
unión.
Figura 2.2.2. a) Espectro de emisión de un LED de GaAsP. b) Variación de la intensidad de la luz en
función de la corriente.
Otra combinación de materiales muy utilizadas es la basada en heterouniones AlGaS/GaAs.
Estos dos materiales tienen un valor de la constante de red muy parecido, por lo que no se
producen tensiones mecánicas al crecer uno sobre el substrato del otro mediante las técnicas de
epitaxia. Como consecuencia de ello, no se produce centro de recombinación no reactiva que
quitaría eficiencia al dispositivo. Por último, mencionamos que para fabricar LED que emitan
en el azul y el ultravioleta es necesario recurrir a los materiales llamados de gap ancho, como
el GaN y sus aleaciones InGaN, el ZnSe, SiC, etc., cuyo gap alcanza hasta los 3 eV.
Los avances recientes en los polímeros semiconductores, orgánicos e inorgánicos, han
permitido la fabricación de diodos de electroluminiscentes de materiales tales como el PPV
(polifenil-vinilo) con una gran eficiencia. La luminiscencia tiene lugar por la recombinación
de electrones y huecos en una película de este material. El grosor de la película es de unos 100
nm y los voltajes aplicados no superan los 10 V. las ventajas de los polímeros conductores,
además de su resistencia y su flexibilidad, son la facilidad con que podrían ser preparados en
grandes superficies luminiscentes, con técnicas parecidas a las usadas en pintura.

Los LED comerciales tienen una estructura de capas obtenidas por deposición en fase vapor, y
el producto final incluye un encapsulado de plástico transparente que sirve de protección, lente
y filtro (figura 2.2.3.izda). La estructura más utilizada en los LED es del tipo p-n+, es decir, el
elemento de la unión menos dopado es el P, el cual debe ser suficientemente fino para que los
fotones producidos se puedan escapar sin ser reabsorbidos, tal y como se representa en la
figura 2.2.3.derecha.
Figura 2.2.3. Configuración típica de un diodo emisor de luz (LED) comercial (izquierda) y detalle de
la estructura de capas mostrando el proceso de recombinación de portadores en la emisión de luz
(derecha).

Figura 2.2.4. a) Esquema de la estructura de bandas de energía de un diodo emisor de luz (LED) de
heterounion doble (DH). b) procesos de recombinación de portadores en la emisión de luz.
Para conseguir LED de alta intensidad es necesaria la utilización de heterouniones, es decir,
uniones entre dos semiconductores de distintos gap. Lo más conveniente es utilizar una doble
heteroestructura (DH), como la representación en la figura 2.2.4.a, sin embargo ningún
voltaje, por lo que en este caso el nivel de fermi 퐸퐹 es constante a lo largo de la estructura.
Observemos la barrera de potencial, de altura Δ퐸푐, que aparece entre las bandas de conducción
del GaAs y del AlGaAs, ambos de tipo ligeramente p. En figura 2.2.4.b aparece la estructura
anterior cuando se aplica un voltaje externo en polarización directa para que circule corriente.
De este modo se inyectan electrones desde el material n+-AlGaAs a la región p-GaAs, donde
se recombinan con los huecos, dando lugar a la emisión de fotones. Estos a su vez pueden
salir a la superficie sin sufrir pérdida de intensidad ya que el gap del AlGaAs es bastante
más ancho que el de GaAs, y por tanto, no hay absorción óptica.
En un LED, la emisión de luz ocurre solamente a lo largo de la unión p-n, es decir, en una
franja estrecha del material. Además, el material semiconductor debe ser de gran pureza y

perfección cristalina. Esto hace que la fabricación del LED sea un proceso caro, limitado a
pequeñas superficies. Para aplicaciones que requieren grandes áreas luminosas o un precio
reducido tiene mayor interés-otro tipo de electroluminiscencia, descubierto por Destriau en los
años treinta en polvos de ZnS dopados con cobre cuando eran sometidos a un voltaje. En este
caso la emisión de luz se3 produce en todo el material. Al no necesitar material de alta calidad
se pueden fabricar grandes superficies. En los años cincuenta del siglo pasado hubo un gran
esfuerzo de investigación en estos materiales. Sin embargo, las aplicaciones prácticas se vieron
deslucidas por el rápido deterioro de los primeros dispositivos, por lo que decreció el interés
sobre ellos. Afortunadamente un nuevo esfuerzo en los años setenta ha solventado muchos de
estos problemas y hoy día existen ya dispositivos comerciales.
Básicamente, un material electroluminiscente (llamado fosforo) consiste en un semiconductor
policristalino de banda ancha formado por elementos de las columnas II y VI de la tabla
periódica, dopado con algún ión que actúa como centro luminiscente. El color y otras
propiedades de la emisión están determinados por el dopante. El mecanismo de luz es bastante
es bastante complejo y aún no ha sido explicado del todo. Básicamente, la aplicación de un
voltaje en los extremos del material hace que los electrones inyectados por los electrodos sean
acelerados por el campo eléctrico aplicado hasta ganar una energía cinética elevada. Cuando
estos electrones interaccionan con los iones dopantes, éstos desprende la energía absorbida en
forma de luz en un proceso de desexcitación posterior.
Según el tipo de material, se distingue entre dispositivos electroluminiscentes de polvo y de
película delgada. Los dispositivos de polvo están formados por una capa de polvo muy fino
(con partículas del tamaño de 1 휇푚) situada entre dos electrodos, uno de ellos transparente. El
conjunto está depositado sobre una lámina de vidrio. El voltaje aplicado en este caso es del
orden de 100 V, y puede ser continuo o alterno, dependiendo del dispositivo. Debido a que en
la fabricación no se requieren técnicas de alto vacío, estos dispositivos están especialmente
indicados para aplicaciones que requieren grandes áreas. Por ejemplo, se usan para la
iluminación trasera de pantallas de cristal líquido en televisores, computadores, y otros
indicadores alfanuméricos, en paneles luminosos con información fija, paredes de iluminación
difusa en arquitectura, anuncios señales de tráfico, etc.

Los dispositivos electroluminiscentes de película delgada o TFEL (thin-film electro-luminiscente
devices) consisten en una estrecha capa con espesores del orden de 1 mm de un
fósforo semiconductor situado entre dos capas aislantes. El resto se asemeja a un dispositiva
de polvo. El voltaje necesario es también del orden de 100 V. los dispositivos más
desarrollados emplean un voltaje alterno y se conocen como ACTFEL (figura 2.2.5). Una
aplicación de estos dispositivos son las pantallas planas (flat panel displays) de color para
monitores de computadores y televisores. Las principales ventajas con respecto a las pantallas
de cristal líquido son: alto brillo, independiente de la iluminación ambiental, alta resolución
con una escasa interferencia entre pixeles, gran ángulo de visión, funcionamiento en un
extenso rango de temperaturas, estabilidad, larga vida y memoria intrínseca. Esta última se
debe a que el voltaje necesario para mantener un pixel encendido es bastante menor que el
necesario para encenderlo. La principal desventaja es que este último es de unos 100 V, que es
mucho menor que los voltajes empelados en las pantallas de cristales líquidos y requiere una
electrónica más cara.
Figura 2.2.5. Panel electroluminiscente de película delgada con voltaje externo (ACTFEL).

Características del diodo
El dispositivo semiconductor está comúnmente en capsulado en una cubierta de plástico de
mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en las lámparas incandescentes.
Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya que ello no influye
en el color de la luz emitida. Usualmente un LED es una fuente de luz compuesta con
diferentes partes, razón por la cual el patrón de intensidad de la luz emitida puede ser bastante
complejo.
Figura 2.2.6. Representación simbólica del diodo
LED.
Para obtener una buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que atraviesa el
LED; para ello, hay que tener en cuenta que el voltaje de operación va desde 1,8 hasta 3,8
voltios aproximadamente (lo que está relacionado con el material de fabricación y el color de
la luz que emite) y la gama de intensidades que debe circular por él varía según su aplicación.
Valores típicos de corriente directa de polarización de un LED corriente están comprendidos
entre los 10 y los 40 mA. En general, los LEDS suelen tener mejor eficiencia cuanto menor es
la corriente que circula por ellos, con lo cual, en su operación de forma optimizada, se suele
buscar un compromiso entre la intensidad luminosa que producen (mayor cuanto más grande
es la intensidad que circula por ellos) y la eficiencia (mayor cuanto menor es la intensidad que
circula por ellos).
Como dato curioso tenemos que el primer LED que emitía en el espectro visible fue
desarrollado por e ingeniero de General Electric Nick Holonyak en 1962.

En corriente continua (CC), todos los diodos emiten una cierta cantidad de radiación cuando
los pares electrón-hueco se recombinan, es decir, cuando los electrones caen desde la banda de
conducción (de mayor energía) a la banda de valencia (de menor energía). Indudablemente, la
frecuencia de la radiación emitida y, por ende, su color, dependerá de la altura de la banda
prohibida (diferencias de energía entre las bandas de conducción y valencia), es decir, de los
materiales empleados. Los diodos convencionales, de silicio o germanio, emiten radiación
infrarroja muy alejada del espectro visible. Sin embargo, con materiales especiales pueden
conseguirse longitudes de onda visibles. Los LED e IRED, además tienen geometrías
especiales para evitar que la radiación emitida sea reabsorbida por el material circundante del
propio diodo, lo que sucede en los convencionales.
Tabla 2.2.1. Compuestos empleados en la construcción de un LED

ESTRUCTURA Y FOTOGRAFÍA DE UN DIODO
Figura 2.2.7. Estructura de un diodo LED.
Figura 2.2.8. Diodos LED comerciales.

2.3. DIODO LÁSER
El LED que acabamos de ver es una de las fuentes de luz más utilizadas tanto en
comunicaciones ópticas como en sistemas de visualizadores. Aun así el LED no es el
dispositivo de mayores prestaciones siendo una de sus ventajas, su fácil fabricación y su fácil
uso. Sus mayores desventajas son su amplio espectro de emisión y la imposibilidad de
utilizarlo en sistemas para modular con frecuencias superiores a un Gigahert. El diodo láser o
LD supera estas desventajas del LED aprovechando características especiales de las cavidades
ópticas y de la emisión estimulada. El resultado es que el LD es capaz de emitir señales con un
espectro dos órdenes de magnitud menor que el LED. Además puede ser modulado con
señales de hasta 50GHz y el haz luminoso del LD no se “abre” tanto como el LED pudiendo
generar rayos de luz de alta intensidad y muy focalizados.
Funcionamiento.
El diodo láser se utiliza igual que un diodo LED, es decir, como un diodo p-n polarizado
directamente. Sin embargo, aunque su estructura parece similar a la de un LED en lo que
respecta a electrones y hueco, no lo es en lo referente a los fotones.
Como en el caso del LED, inyectamos electrones y huecos en la zona activa polarizando
directamente el diodo láser. Para bajos niveles de inyección, estos electrones y huecos se
recombinan de forma radiante mediante el proceso de emisión espontánea, emitiendo fotones.
Sin embargo, la estructura del diodo láser está diseñada para que altos niveles de inyección el
proceso de emisión venga determinado por la emisión estimulada. La emisión estimulada
permite obtener una alta pureza espectral de la señal, fotones coherentes y una alta velocidad
de respuesta. La diferencia fundamental es pues la emisión espontánea en el LED y
estimulada en el LD.
Supongamos un electrón con un vector de onda k y un hueco con un vector de onda k en las
bandas de conducción y de valencia del semiconductor respectivamente. Si no hay fotones en
el semiconductor, el electrón y el hueco se recombinan emitiendo un fotón. Esto sería una
emisión espontánea, la cual ya fue estudiada en el tema anterior del LED.

Figura 2.3.1. (a) En la emisión espontánea, el par electrón-hueco se recombina en ausencia de
otros fotones para emitir un fotón. (b) En emisión estimulada, un par electrón-hueco se
recombina en presencia de fotones de energía adecuada h para emitir fotones coherentes. En
emisión coherente los fotones emitidos están en fase con los ya existentes.
Si existen fotones en el semiconductor y éstos tienen la misma energía hω que la diferencia de
energía entre electrón y hueco, además de la emisión espontánea se produce otro tipo de
proceso de emisión llamado emisión estimulada. El proceso de emisión estimulada es
proporcional a la concentración de fotones (de fotones con la energía adecuada para causar la
transición electrón-hueco). Los fotones emitidos tendrán la misma fase que los fotones
incidentes causantes de la emisión, es decir, tendrán la misma energía y vector de onda.

Composición Química de un Diodo Láser de Estado Sólido.
El funcionamiento del diodo láser lo determinan su composición química y su geometría.
Todos los diodos son, en esencia, estructuras de varias capas, formadas por varios tipos
diferentes de material semiconductor, en el caso del diodo láser, no es más que un bloque de
material semiconductor que contiene una unión p-n, con las regiones p y n muy densamente
dopadas y con una estructura interna más o menos compleja que se hace funcionar a modo de
diodo para producir un efecto láser.
Los diodos láser que emiten en la región 0.78 a 0.9 micrón, están formados por capas de
arseniuro de galio (GaAs) y arseniuro de aluminio y galio (ALGaAs) desarrollado sobre un
subestrato de GaAs. Los dispositivos para longitud de onda mayor, que emiten a 1.3 a 1.67
micrones, se fabrican con capas de arseniuro fosfuro de indio y galio (InGaASP) y fosfuro de
indio (InP), desarrollado sobre un subestrato de InP.
Figura 2.3.2. Un diodo láser de estado sólido o diodo de inyección para salida de onda continua de
energía infrarroja coherente, es una unión PN.

La ilustración muestra las características estructurales comunes a todos los diodos láser de
onda continua (OC). La base del diodo es un subestrato formado por GaAs o InP, tipo N, con
alta impurificación. Sobre la parte superior del subestrato, y a manera de descubrimiento, se
desarrolla una capa plana más ligera del mismo material, tipo N y con impurificación. Sobre la
capa de recubrimiento tipo N se desarrolla una capa activa de semiconductor (AlGaAs o
InGaAsP) sin impurificaciones. Después, sobre la capa activa de tipo P, con alto grado de
impurificación.
Cuando pasa la corriente por los contactos metálicos los electrones inyectados desde la capa
tipo N y los huecos inyectados desde la capa tipo P se recombinan en el área activa delgada, y
emiten luz. La luz viaja hacia atrás y hacia delante entre las facetas parcialmente reflejantes de
los extremos del diodo. La acción lasérica comienza al incrementarse la corriente. La ganancia
óptica en viaje redondo debe superar las pérdidas debidas a absorción y dispersión que se dan
en la capa activa, para sostener dicha acción.
Muchos diodos láser tienen una capa delgada de óxido, depositada sobre la parte superior de la
capa de cubierta final tipo P. En esta capa de óxido se hace un ataque químico de manera que
pueda formarse una cinta metálica de contacto en receso de poca profundidad,
longitudinalmente a lo largo de la superficie superior del diodo. El índice de refracción de la
capa activa es mayor que el del material tipo P y del material tipo N (las capas de
recubrimiento) que están arriba y abajo de ésta. Como resultado, la luz es atrapada en una guía
dieléctrica de ondas formada por las dos capas de recubrimiento y la capa activa, y se propaga
en ambas, la capa activa y las de recubrimiento.
El haz de luz que emerge del diodo láser forma una elipse vertical (en sección transversal),
aunque la región lasérica es una elipse horizontal. La luz que se propaga dentro del diodo, se
extiende hacia afuera en forma transversal (verticalmente) desde las capas de recubrimiento
superior e inferior.
Cuando el diodo está funcionando en el modo fundamental, el perfil de intensidad de su haz
emitido en el plano transversal, es una curva de Gauss de forma acampanada.

En el láser se amplifica la luz al viajar hacia atrás y hacia adelante en la dirección longitudinal,
entre las facetas de cristal de cada extremo del diodo. Los modos resonantes que se extienden
en dirección perpendicular a la unión PN, se llaman modos transversales. La inyección de
electrones y huecos en la capa activa situada abajo de la cinta metálica de contacto, altera el
índice de refracción de la capa activa, y confina la luz lateralmente para que no se disperse
hacia afuera, hacia ambos lados del centro de la capa activa.
Figura 2.3.4. Encapsulado comercial de un diodo láser

Figura 2.3.5. Un diodo láser empaquetado. Atrás una moneda
de un centavo estadounidense como referencia de escala.
Figura 2.3.6. Imagen de un chip del diodo láser contenido en el
paquete mostrado en la imagen superior. Se muestra en el
orificio de un aguja como referencia de escala.

2.4. CELDA FOTOVOLTAICA
Un poco de historia.
Descubierto en 1839 por el físico francés Alexandre-Edmon
Becquerel. Observo que se generaban pequeñas cantidades de
corriente cuando se iluminaba uno de los electrodos (AgCl-Pt) de
una solución electrolítica conductora, y apreció un aumento de la
generación eléctrica con la luz.
En 1883 Charles Fritts construye la primera celda solar con una
eficiencia del 1%. La primera celda solar fue construido con el Se
con una muy delgada capa de Au.
Debido al alto costo de esta celda se utilizó para usos diferentes a
la generación de electricidad como sensores de luz en la
exposición de cámaras fotográficas.
La época moderna de la celda de Si llega en 1954 en los
Laboratorios Bell. Accidentalmente experimentado con
semiconductores se encontró que el Si con algunas impurezas era
muy sensible a la luz.
Daryl Chapin, Clavin Fuller y Gerald Pearson, de los
Laboratorios Bell estructura fotovoltaica qué lograba convertir
luz en electricidad con una eficiencia razonable (6%).
Figura 2.4.1. Alexandre-
Edmon Becquerel. Fue un
físico francés que estudio el
espectro solar, magnetismo,
electricidad y óptica.
Figura 2.4.2. Primera estructura fotovoltaica con una eficiencia razonable. Elaborada
en Laboratorios Bell.

Las celdas fotovoltaicas son elaboradas con materiales semiconductores como el silicio o el
selenio siendo el primero de estos el que más se utiliza ya que tiene una eficiencia mayor, sin
embargo el silicio que es utilizado para la construcción de éstas tiene que ser del tipo P y tipo
N. Estos tipos de silicio se obtienen mediante un proceso llamado dopaje en el cual se le
agregan impurezas (átomos de otros elementos con número de valencia diferente) a dicho
material para mejorar su conductividad eléctrica.
Figura 2.4.3. Esquema básico de una celda solar de Si cristalino.

Figura 2.4.4. (a) Estructura básica del silicio tipo n en una celda fotovoltaica. (a) Estructura
básica del silicio tipo p en una celda fotovoltaica.
Principio de funcionamiento.
Como ya se mencionó, las celdas solares están constituidas por materiales semiconductores,
principalmente silicio, y son elementos que transforman directamente parte de la energía solar
que reciben en energía eléctrica. Los electrones de valencia del material semiconductor de la
célula, que están ligados débilmente al núcleo de sus átomos, son arrancados por la energía de
los fotones de la radiación solar que inciden sobre ella. Este fenómeno se denomina efecto
fotovoltaico.
La rotura de enlaces y la aparición de un par electrón-hueco puede producirse por la absorción
de un fotón de energía suficiente (efecto fotovoltaico) o por agitación térmica. El proceso
contrario, es decir, la recombinación o desaparición de un par electrón-hueco puede producirse
al encontrarse un electrón libre y un hueco o por la existencia de un defecto de la estructura del
material semiconductor.

Tanto la energía necesaria para que ocurra el proceso de generación como la cedida en el de
recombinación, tiene un valor determinado, Eg , denominado ancho de banda prohibida. Así,
estos dos fenómenos pueden escribirse con la ecuación reversible siguiente:
g e h E    
Los electrones libres y los huecos creados por la ruptura del par electrón-hueco tienden a
difundirse desde las zonas iluminadas, donde se crean, a las zonas oscuras. Para evitar la
recombinación es necesario crear en el interior del semiconductor un campo eléctrico,
mediante una unión “P-N”, que separe físicamente éstos dos tipos de portadores o cargas libres
móviles, apareciendo así una intensidad de corriente neta que atraviesa la célula solar en
sentido de ese campo.
Cuando la radiación solar incide sobre la célula, los fotones con energía suficiente rompen el
par electrón-hueco dejando éstos portadores libres (efecto fotovoltaico). El campo eléctrico de
la unión “P-N” separa éstos portadores para evitar que se recombinen, llevando los electrones
a la zona “N” y los huecos a la zona “P”, apareciendo de ese modo una intensidad de corriente
neta que atraviesa la célula solar en el sentido de ese campo, de la zona “N” a la zona “P”.
El proceso del principio físico de la celda solar se puede resumir en los siguientes pasos:
• Los fotones incidentes son absorbidos y se generan pares electrón-hueco, tanto en la región P
de la unión como en la región N. Supondremos que se genera una pareja por fotón.
• Los electrones y huecos generados a una distancia inferior a Lp o Ln (longitud de difusión
del hueco y electrón) de la zona de vaciamiento, llegan a ella por difusión. En la zona de
vaciamiento también se generan pares electrón-hueco debido a la radiación que incide.
• En la zona de vaciamiento, cada miembro de la pareja es separado por el campo eléctrico
presente: los huecos se dirigen a la región P y los electrones a la región N.

Aplicaciones.
Deben su aparición a la industria aeroespacial, y se han convertido en el medio más fiable, de
suministrar energía eléctrica a un satélite o a una sonda en las órbitas interiores del Sistema
Solar. Esto es gracias a la mayor irradiación solar, sin el impedimento de la atmósfera, y a su
bajo peso.
En tierra, son la fuente solar más popular en instalaciones pequeñas o en edificios, frente al
método de campos de espejos heliostatos empleados en las grandes centrales solares.
Junto con una pila auxiliar, se usa habitualmente en ciertas aplicaciones de poco consumo
como boyas o aparatos en territorios remotos, o simplemente cuando la conexión a una central
de energía sea impracticable. Su utilización a gran escala se ve restringida por su alto coste,
tanto de compra como de instalación. Hasta ahora, los paneles fotovoltaicos ocupan una
pequeña porción de la producción mundial de energía.
La experiencia en producción e instalación, los avances tecnológicos aumentando la eficiencia
de las celdas solares, las economías de escala en un mercado que crece un 40% anualmente,
unido a las subidas en los precios de los combustibles fósiles, hacen que las se empiece a
contemplar la fotovoltaica para producción eléctrica de base, en centrales conectadas a red.
Actualmente muchos gobiernos del mundo (Alemania, Japón, EEUU, España, Grecia, Italia,
Francia) están subvencionando las instalaciones con un objetivo estratégico de diversificación
y aumento de las posibilidades tecnológicas preparadas para crear electricidad de forma
masiva. La gran mayoría de las instalaciones conectadas a red están motivadas por primas muy
elevadas a la producción, pagándose al productor 5 o 6 veces el coste de la energía eléctrica
generada por vías tradicionales, o mediante incentivos fiscales, lo que ha generado críticas
desde grupos favorables a un mercado libre de generación eléctrica.

3. FOTORESISTOR (LDR)
Un poco de historia.
El primer estudio de los fotoconductores fue realizado por Willoughby Smith en 1873 al
descubrir las variaciones de resistencia en un trozo de selenio expuesto a diferentes
intensidades de luz.
En 1900 se reprodujeron efectos similares en válvulas de vacío hasta llegar a una primer
introducción comercial en 1927 al utilizarse en la industria del cine, al permitir convertir
patrones de luz en el sonido de la película.
En 1940 comenzó la comercialización de medidores de oxígeno en sangre, con cadmio como
material fotosensible, basándose en el principio de absorción de una frecuencia especifica de
luz de la hemoglobina.
Estructura.
Los fotoconductores se definen como materiales que aumentan sus propiedades conductoras
de electricidad al absorber radiación electromagnética. Al incidir la luz sobre un
semiconductor con éstas propiedades aumentan la cantidad de electrones libres disminuyendo
su resistividad eléctrica.
Un fotoresistor o LDR está compuesto por dos terminales en los extremos de un
semiconductor de alta resistencia (en el orden de los MOhm) que al recibir luz en espectro
visible disminuye su resistencia a algunos cientos de Ohm.
Se puede modelar la resistencia Rv de un LDR ideal como opuesta linealmente a la
iluminancia, a menos de una constante. En la Figura 3.1.1 se plantea la relación entre Rv y la
iluminancia de un LDR. En la Figura 3.1.2 se plantea un modelo real sobre el LDR.

Figura 3.1.1. Relación de Rv entre la resistencia y la
iluminancia.
Figura 3.1.2. Modelo real de un RLD.

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