3. INDICE
El Diodo Semiconductor...…………………………………………………… Pág. 04
Polarización del Diodo..……………………………………………………… Pág. 06
Análisis por Recta de Carga………………………………………………… Pág. 11
Aproximaciones para el Diodo……………………………………………… Pág. 12
Ejercicios Resueltos.....……………………………………………………… Pág. 14
Otros Tipos de Diodos..……………………………………………………… Pág. 15
Diodos Emisores de Luz..…………………………………………………… Pág. 15
Diodos Láser.………………………………………………………………… Pág. 16
Dispositivos Fotodetectores………………………………………………… Pág. 17
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4. El Diodo Semiconductor
Si se junta un cristal dopado con material tipo P, en conjunto a un material tipo N,
se presenta un dispositivo denominado Diodo como se muestra en la figura #2.1.
Figura #2.1: Unión P - N
La palabra Diodo proviene de las palabras DI = dos y ODO = Electrodo, es decir,
elemento de dos terminales. Al terminal conectado al lado P del diodo recibe el
nombre de Anodo y al terminal conectado al lado N del diodo recibe el nombre de
Cátodo y a la unión de los dos materiales se denomina Juntura.
Producto de la mutua repulsión que sufren los electrones libres del lado N, estos
electrones son repelidos a muchas partes y algunos de estos electrones
atraviesan la juntura y se pasan al lado P uniéndose a un hueco de la banda de
valencia para formar así un enlace covalente. Al saltar el electrón desde el lado
N genera un huecos en dicho lugar y por lo tanto se puede considerar que se
produce un movimiento de electrones desde el lado N al lado P y también se
produce un movimiento de huecos desde el lado P al lado N, la figura #2.2
muestra este proceso el cual se denomina Difusión.
Figura #2.2: Proceso de Difusión en el diodo
Se podría pensar que el proceso de difusión duraría por mucho tiempo, sin
embargo, cada vez que un electrón del lado N pasa al lado P, deja un ion positivo
en el lado N por la ausencia del electrón y por el contrario, en el lado P dejará un
ion negativo producto de su presencia. Esto es, cada vez que un electrón del lado
N se difunde (hacia el lado P) deja un par de iones cercano a la juntura.
Como los primeros electrones que se difunden se encuentran cerca de la juntura,
van dejando esta área sin electrones y de huecos en el lado P, razón por la cual
se denomina zona de agotamiento o zona desierta. A su vez, los iones en la capa
de agotamiento van dejando cada vez más cargada la zona desierta, el cual actúa
como una barrera que impide que nuevos electrones sigan cruzando la juntura.
La figura #2.3 muestra este efecto, considerando que los signos ( + ) y ( - )
corresponden a los electrones y huecos respectivamente, mientras que los
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5. mismos signos encerrados con un circulo corresponden a los iones positivos y
negativos.
Figura #2.3: Barrea de potencial
En efecto, para que un electrón del lado N pueda sobrepasar la juntura, deberá
primero saltar la barrera de iones negativos que se encuentran en el lado P que
tiende a repeler dicho electrón y dejarlo nuevamente en su posición original en el
lado N.
La barrera de potencial genera una diferencia de potencial cuyo valor es V?
=0,7Volt si el semiconductor es de Silicio y de V? =0,3 Volt si el semiconductor es
de Germanio (valores aproximado). La figura #2.4 muestra el símbolo
esquemático del Diodo.
Figura #2.4: Simbología esquemática del diodo
Aun cuando hay muchos tipos de encapsulados que utiliza un diodo dependiendo
de la corriente y potencia que el dispositivo es capas de soportar, el más utilizado
se muestra en la figura 2.5
Figura #2.5:Dido de bajas y medias corrientes
La franja blanca o plateada que se observa en al costado derecho de la figura
#2.5, representa al lado N o terminal cátodo del diodo.
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6. Polarización del Diodo
Polarizar un dispositivo electrónico, implica conectar una batería o Fuente de
alimentación continua para su funcionamiento. Para el caso del diodo, se puede
realizar dos tipos de polarización, llamadas Polarización Directa y Polarización
Inversa.
a) Polarización Directa:
Consiste en aplicar los terminales de la batería, de manera tal el terminal Positivo
de la batería quede conectado al Anodo o terminal P del diodo y el terminal
Negativo de la batería quede conectado al Cátodo o terminal N del diodo. La
figura #2.6 muestra este tipo de conexión.
Figura #2.6: Polarización directa
Como se puede apreciar en al figura 2.6, los electrones libres del lado N del diodo,
están sujetos a dos fuerzas de repulsión. Hacia la izquierda producto del terminal
negativo de la batería y hacia la derecha producto de la barrea de potencial. Esto
implica que el electrón se moverá hacia la izquierda, si y solo si, la fuerza de
repulsión del terminal negativo de la batería sea mayor a la barrera de potencial
(esto es, un voltaje de la batería mayor o igual a V?=0,7Volt para el Silicio). Una
situación similar ocurre con los huecos del lado P. La figura #2.7 muestra tal
situación.
Figura #2.7: Polarización directa
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7. La secuencia que se produce con los electrones para una polarización directa,
con un voltaje de batería mayor o igual a V? =0,7Volt para el Silicio es la
siguiente:
1.- Después de salir el electrón desde el terminal negativo de la batería, se
introduce por el extremo derecho del diodo (lado N), para ser ingresado como
electrón libre.
2.- Viaja a través de la región N como electrón libre en un movimiento hacia la
izquierda o lado P.
3.- Cuando el electrón salta la juntura hacia el lado P, se recombina con un hueco
de la banda de valencia, convirtiéndose así en electrón de valencia.
4.- Ya en lado P, el electrón viaja como electrón de valencia (saltando de hueco en
hueco) hacia la izquierda (terminal positivo de la batería).
5.- Después de salir del lado izquierdo del cristal, fluye hacia el terminal positivo
de la fuente.
En forma análoga se puede decir sobre el movimiento de huecos en el lado P.
La secuencia anteriormente indicada, refleja muy claramente por que se produce
la conducción de corriente, que no es otra cosa que el movimiento de electrones
y/o huecos por unidad de tiempo. Sin embargo, se deben aclarar algunos puntos
necesarios sobre dicha secuencia.
a.- El sentido convencional que se da a la corriente, es inverso al movimiento de
los electrones, esto es, el sentido de la corriente convencional para el caso
anteriormente mencionado sería de izquierda a derecha.
b.- El hecho que el electrón libre en la banda de conducción del lado N, baje como
electrón de valencia en el lado P, obliga a que este electrón libere energía (en la
mayoría de los casos, esta energía se libera como calor y es por eso es que los
diodos se calientan cuando conducen). En algunos diodos especiales, esta
energía se libera como energía luminosa y a estos diodos se denominan diodos
LED (Diodo Emisor de Luz).
c.- En la práctica, no es que el electrón se desplace físicamente desde un terminal
a otro, si no que realiza un pequeño “empujón” al electrón contiguo y así
sucesivamente, cuyo efecto es similar al desplazamiento total del electrón.
d.- Dada que la resistencia macroscópica del semiconductor es baja, la corriente
estará limitada fundamentalmente por la resistencia externa.
e.- El voltaje que queda en el diodo, corresponde al potencial de Barrera más la
corriente que circula por el circuito multiplicada por la resistencia macroscópica
del diodo (ley de Ohms), es decir:
Vd = V? ? I*Rd con Rd = Resistencia del diodo.
+
f.- La zona desierta que se produce en la juntura disminuye.
b) Polarización inversa:
Consiste en aplicar los terminales de la batería, de manera tal el terminal Positivo
de la batería quede conectado al Cátodo o terminal N del diodo y el terminal
Negativo de la batería quede conectado al Anodo o terminal P del diodo. La figura
#2.8 muestra este tipo de polarización.
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8. Figura #2.8: Polarización inversa
Como se puede observar en la figura #2.8. La fuerza eléctrica obliga a los
electrones libres del lado N a trasladarse hacia la derecha o terminal positivo de la
batería, esto implica, que en la juntura estará cada vez más ausente de
electrones, es decir, la zona desierta se ensancha y la barrera de potencial tendrá
cada vez mas iones, es decir esta barrera aumentará. Una situación similar
ocurrirá con los huecos del lado P como ase observa en la figura #2.9.
Figura #2.9: Polarización inversa
Esta situación de polarización inversa conlleva varias interrogantes:
a) ¿Hasta donde se desplazará el electrón?
R)Si observamos la figura #2.9b. Nos damos cuenta que la fuerza eléctrica de la
batería permite desplazar al electrón hacia la derecha, sin embargo, este
desplazamiento genera un aumento de la barrera de potencial que a su vez
tenderá a desplazar al mismo electrón hacia la juntura (efecto similar al de una
cuerda que es jalada de ambos extremos). Por lo tanto, el electrón se desplazará
hasta tal punto en que la fuerza eléctrica de la batería sea de igual valor a la
fuerza eléctrica de la barrera de potencial. Esto es, cuando la barrera de potencial
tenga el mismo valor que el voltaje de la batería.
b) ¿Esto significa que no hay corriente circulando por el diodo?.
R) Deberíamos decir que efectivamente no hay corriente apreciable circulando por
el diodo, sin embargo, nos damos cuenta que en cada lado del diodo hay
portadores minoritarios producidos por la generación del par hueco - electrón,
esto es, huecos de valencia en el lado N y electrones libres en el lado P.
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9. Luego, una polarización inversa implica polarización directa para estos
portadores minoritarios. Por tanto la respuesta correcta será que no hay
circulación de corriente apreciable producto de los portadores mayoritarios, sin
embargo, existe una pequeña corriente (normalmente despreciable) producto
de los portadores minoritarios y que a su vez, esta corriente denominada
corriente inversa de saturación Is es altamente dependiente de la temperatura
(ya que se produce un aumento en el rompimiento de los enlaces covalentes y
generación de pares hueco-electrón con el aumento de la temperatura). Se
puede demostrar que esta pequeña corriente (del orden de los pico Amperes)
se duplica con un aumento de 10ºC de temperatura y es independiente del
voltaje inverso aplicado. También existe otra corriente denominada
corriente superficial de fuga ISL, que se produce principalmente por las
impurezas que quedan en las superficies del cristal que forman trayectorias
Ohmicas para las corrientes, es decir, actúa de acuerdo a la ley de Ohm. Sin
embargo, esta corriente también es del orden de los pico Amperes. Los
manuales técnicos normalmente llaman a estas dos corrientes como una sola
denominada corriente inversa IR, comúnmente esta corriente es especificada
para un voltaje inverso VR especifico y para una temperatura específica. De
manera tal que al aumentar el voltaje inverso y/o la temperatura, aumentará la
corriente inversa.
En resumen, podemos decir que en polarización directa no hay circulación de
corriente apreciable y todo el voltaje de la batería externa caerá en el diodo
(específicamente, en la barrera de potencial).
c) ¿Qué ocurre si el voltaje inverso es muy grande?.
R) En este caso el electrón libre del lado P (portador minoritario), se desplazará
con energía cinética que al chocar con un enlace covalente, lo romperá y habrá
dos electrones libres. Estos dos electrones chocaran con dos enlaces
covalentes dejando cuatro electrones libres y así sucesivamente, es decir, se
produce un efecto llamado efecto de avalancha y se producirá un aumento
brusco de la corriente denominada corriente de avalancha, sin embargo, el
voltaje del diodo se mantendrá en su mismo valor al momento de producir el
efecto de avalancha. En los diodos rectificadores el voltaje inverso de
avalancha es muy grande (del orden de los cientos de volt) y al producir un
aumento brusco de corriente debido a la avalancha, también se producirá un
aumento brusco de la potencia de disipación que terminará por “quemar” al
diodo. Por este motivo, al voltaje inverso de avalancha se denomina voltaje de
ruptura VB y es un valor que no debe de sobrepasarse al momento de diseñar
algún circuito con este tipo de diodos llamados comúnmente como diodos
rectificadores.
Existe una clase de diodos llamados Diodos Zener cuyo voltaje de avalancha
es bajo (del orden de los volts), y por tanto, si se limita la corriente de avalancha
se puede tener corriente con polarización inversa sin necesidad de “quemar” a
este diodo. La particularidad es que el voltaje del diodo es muy estable y su
uso principal es de utilizarse como reguladores referenciales de voltajes. Por
tal motivo, al voltaje inverso de avalancha se denomina voltaje zener. La figura
#2.10 muestra el símbolo esquemático para representar al diodo zener.
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10. Figura #2.10: Simbología del diodo Zener
Con los datos obtenidos de las polarizaciones directa e inversa del diodo, se
puede obtener la curva característica del diodo como se muestra en la figura
#2.11.
La curva de un diodo semiconductor (o diodo real) se puede definir por la siguiente
ecuación:
Con: K = 11,600/n y n=1 para Ge
o n=2 para Si
TK = TC° + 273°
Para un diodo de silicio la corriente de saturación inversa IS aumentará cerca del
doble en magnitud por cada 10° C de incremento en la temperatura.
En resumen, se puede decir que la conducción de corriente se realiza solamente
en polarización directa. En efecto, para probar el estado de un diodo, se utiliza un
multitester en posición de impedancia (Ohms), de manera tal que en polarización
inversa se produce una impedancia muy alta (equivalente a circuito abierto) en
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11. cambio en polarización directa su impedancia es menor. Hoy en día, los
multitester digitales tienen una posición de prueba de diodo, de manera tal en
dicha posición entrega un valor relativo a la impedancia o voltaje del diodo, así, en
polarización directa su impedancia o voltaje es menor que en polarización directa.
Cuando el diodo está en mal estado, la indicación del multitester entregará el
mismo valor sin importar la posición de los terminales.
Conocido el comportamiento del diodo, es muy conveniente determinar el valor de
las corrientes y voltajes en un circuito que contengan diodos, en otras palabras, se
trata de analizar los circuitos que posean diodos.
Análisis por Recta de Carga
La carga o la resistencia de carga (RL o R) aplicada a un circuito, tendrá un efecto
importante sobre el punto de región de operación de un dispositivo (en este caso
el diodo). Ejemplo: Considere el circuito de la figura 2.12 y curva característica de
la figura 2.13.
Figura #2.12: Circuito básico con diodo Figura #2.13: Curva del diodo
Si se aplica la ley de voltajes de Kirchoff se obtiene: - V+ VD + VL = 0 o bien V =
VD +ID*RL.
Si se realiza un análisis en esta malla, de tal manera que pueda trazarse una línea
recta sobre la curva de características del diodo, entonces la intersección de éstas
representará el punto de operación de la red o punto Q.
a) Considere el punto 1, para la cual se hace VD = 0, es decir
Luego: Pto1. ID = V / RL y VD = 0.
b) Considere el punto 2, para la cual se hace ID=0, es decir:
Luego pto2: V = VD e ID=0
Con estos dos puntos se grafican sobre la curva del diodo (Fig. #2.13) y se unen
los puntos mediante una recta denominada recta de carga, como se observa
precisamente en la figura #2.14.
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12. Figura #2.14: Curva del diodo y recta de carga del circuito de la figura 2.12
Nótese que la recta de carga queda determinada en sus extremos por RL y V, de
tal manera que representa las características de la red. Si se modifica el valor de V
o de RL o de ambos, entonces la recta de carga cambiará también.
Como se mostró anteriormente, una línea recta trazada entre estos dos puntos
define la recta de carga que corresponde al conjunto de puntos que satisface la
ecuación de malla. La intersección entre la recta de carga y la curva del diodo,
corresponde al punto de trabajo o punto Q, es decir, si proyectamos el punto Q
Sobre los respectivos ejes, nos encontraremos con la corriente que estará
circulando por el diodo (IDQ) y el voltaje que tiene el diodo (VDQ), para las
condiciones dadas en el circuito.
Aproximaciones para el Diodo
El circuito analizado anteriormente es muy simple, sin embargo, este tipo de
análisis se puede complicar mucho para circuitos de mayor complejidad. Para
evitarlo, se han desarrollado aproximaciones de las características del diodo, con
el objeto de simplificar su análisis.
1ª aproximación (diodo ideal)
El diodo ideal es un dispositivo de dos terminales que tiene el símbolo y las
características que se muestra en la figura 2.15.
Figura 2.15: Característica del diodo ideal
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13. En forma ideal, un diodo conducirá corriente en la dirección definida por la flecha
en el símbolo y actuará como un circuito abierto para cualquier intento de
establecer corriente en la dirección opuesta. En esencia:
Las características de un diodo ideal son las de un interruptor que puede
conducir corriente en una sola dirección.
Como se puede observar, la primera aproximación dista bastante de la
característica de un diodo real, sin embargo, es muy útil al momento de realizar un
análisis rápido para un circuito con diodos.
2ª aproximación
En esta aproximación se considera el V??del diodo para el caso de polarización
directa, como se muestra en la figura #2.16.
Figura #2.15: Segunda aproximación del diodo
De la figura #2.15, se pueden obtener las siguientes conclusiones:
a) En la zona inversa, el diodo sigue comportándose como un circuito abierto,
esto es, ID=0Amper.
b) En la zona directa, el diodo requiere de un voltaje superior o igual a V???esto es
0,7 Volt si el diodo es de Silicio y 0,3 Volt si el diodo es de Germanio, para que
pueda conducir, de lo contrario, el diodo actuará como circuito abierto.
c) El voltaje en el diodo es constante y tiene un valor de V??
3ª aproximación
En esta aproximación se considera el V??del diodo y además la resistencia
macroscópica del dispositivo, que es un linealizacón de la curva característica
para el caso de polarización directa, como se muestra en la figura #2.16.
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14. Figura #2.16: Tercera Aproximación del diodo
En este caso, no se considera el caso de la polarización inversa, pues, su
comportamiento es idéntico al caso de la 1ª y 2ª aproximación.
Ejercicios Resueltos:
En los diversos circuitos que se muestran a continuación, determine ID y VR.
Considere segunda aproximación.
1.- Con V = 12 volts
Realizando la malla: -V + VD+ VR = 0
-12+ 0.7 + ID*R = 0 Despejando ID de la ecuación
anterior:
ID = (12 - 0.7)/1.2 k = 9.42 mA; VR = ID*R , Luego VR= 11,3V
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15. 2.- Si en el ejemplo anterior se invierte el diodo:
Con el diodo invertido la corriente por el diodo será cero (si se utiliza el modelo
simplificado) y entonces I = 0.
-12 + VD + VR = 0, donde VR = I*R = 0
VD = 12 volts
I = ID = 0 A
3.- Considere el mismo circuito inicial pero con V = 0,4 volts.
En este caso, aunque la polaridad del voltaje de la fuente es adecuada para
polarizar el diodo en forma directa, sin embargo, el nivel de voltaje es insuficiente
para activar al diodo de silicio y ponerlo en el estado de conducción
Otros Tipos de Diodos
Además del diodo rectificador y diodo Zener, existen otros tipos de diodos que son
muy utilizados para aplicaciones particulares de la electrónica, entre ellos se
cuenta con:
1) Diodos emisores de luz (leds):
Un diodo emisor de luz es un dispositivo de unión PN que cuando se polariza
directamente emite luz, para ello, al aplicarse una tensión directa a la unión, se
inyectan huecos en la capa P y electrones en la capa N. Como resultado de ello,
ambas capas tienen una mayor concentración de portadores (electrones y huecos)
que la existente en equilibrio. Debido a esto, se produce una recombinación de
portadores, liberándose en dicha recombinación la energía que les ha sido
comunicada mediante la aplicación de la tensión directa.
Se pueden distinguir dos tipos de recombinación en función del tipo de energía
que es liberada:
a) Recombinación no radiante: la mayoría de la energía de recombinación
se libera al cristal como energía térmica (calor).
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16. b) Recombinación radiante: la mayoría de la energía de recombinación se
libera en forma de radiación (posible emisión de luz). La energía liberada
cumple la ecuación: E=HF =HC/? Donde :
? = Longitud de onda del fotón.
E = diferencia de energía entre el electrón y el hueco que se recombinan
expresada en electrón- voltios, Esta energía depende del material que
forma la unión PN.
C = Velocidad de la luz 3·108m/s
H = Constante de Planck.
La figura #2.17muestra el símbolo del diodo LED.
Figura #2.17: Diodo LED
En general, el diodo LED puede ser tratado de manera análoga a un diodo normal.
Sin embargo conviene tener en cuenta que los diodos LED no están fabricados
de silicio, ya que el silicio es incapaz de emitir fotones. Debido a ello, la tensión
de polarización directa VD depende del material con el que esté fabricado el
diodo. La tabla #1, muestra el tipo de elemento, longitud de onda, tipo de luz
irradiada y voltaje de potencial utilizado en la fabricación de diodos LED
Voltaje de barrera
Elemento Longitud de onda Irradiación
de potencial
AsGa 904 nm IR 1V
InGaAsP 1300 nm IR 1V
AsGaAl 750-850 nm Rojo 1,5 V
AsGaP 590 nm Amarillo 1,6
InGaAlP 560 nm Verde 2,7 V
Csi 480 nm Azul 3V
Tabla #1: Tipos de diodos LED
Nota: IR implica radiación infrarroja, esto es, no es luz visible.
2) Diodos Láser: La palabra LASER es un acrónimo de Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation. Las aplicaciones de estos
diodos son muy diversas y cubren desde el corte de materiales
con haces de gran energía hasta la transmisión de datos por fibra
óptica.
Los diodos láser son constructivamente diferentes a los diodos LED normales. Las
características de un diodo láser son
a) La emisión de luz es dirigida en una sola dirección: Un diodo LED emite
fotones en muchas direcciones. Un diodo láser, en cambio, consigue
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17. realizar un guiado de la luz preferencial una sola dirección como se muestra
en la figura #2.18.
Figura #2.18: Emisión de fotones para los dispositivos que se indican
b) La emisión de luz láser es monocromática: Los fotones emitidos por un láser
poseen longitudes de onda muy cercanas entre sí. En cambio, en la luz emitida
por diodos LED, existen fotones con mayores dispersiones en cuanto a las
longitudes de onda como se muestra en la figura #2,19.
Figura #2,19: Longitudes de ondas
Debido a estas dos propiedades, con el láser se pueden conseguir rayos de luz
monocromática dirigidos en una dirección determinada. Como además también
puede controlarse la potencia emitida, el láser resulta un dispositivo ideal para
aquellas operaciones en las que sea necesario entregar energía con precisión.
Los materiales utilizados para la fabricación de diodos láser son prácticamente los
mismos que en diodos LED.
Dispositivos Fotodetectores: son aquellos componentes que varían algún
parámetro eléctrico en función de la luz. Todos los componentes fotodetectores
están basados en el mismo principio, esto es, si construimos un componente con
un material semiconductor de manera que la luz pueda incidir sobre dicho
material, la energía luminosa generará pares electrón - hueco. Entre los
dispositivos fotodetectores se tienen:
a) Fotorresistencias: Se compone de un material semiconductor cuya
resistencia varia en función de la iluminación. Para ello, reduce su valor resistivo
en presencia de rayos luminosos. Es por ello por lo que también se le llama
resistencias dependientes de luz (light dependent resistors), fotoconductores o
células fotoconductoras. Cuando incide la luz en el material fotoconductor se
generan pares electrón - hueco. Al haber un mayor número de portadores, el
valor de la resistencia disminuye.
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18. Figura #2.20: Estado de conducción con foto generación
Si dejamos de iluminar, los portadores fotogenerados se recombinarán hasta
volver hasta sus valores iniciales. Por lo tanto el número de portadores disminuirá
y el valor de la resistencia será mayor.
Figura #2.21: Estado de conducción sin foto generación
Por supuesto, el material de la fotorresistencia responderá a unas longitudes de
onda determinadas. Es decir, la variación de resistencia será máxima para una
longitud de onda determinada. El material mas utilizado como sensor es el CdS,
aunque también puede utilizarse Silicio, GaAsP y GaP.
b) Fotodiodos: Son diodos de unión PN cuyas características eléctricas
dependen de la cantidad de luz que incide sobre la unión. En la figura #2.22 se
muestra su simbología y curva característica.
Simbología Curva característica
Figura #2.22: Simbología y curva característica de un fotodiodo
El fotodiodo utiliza la generación de pares electrón - hueco generados por la
energía luminosa, teniendo una gran incidencia en portadores minoritarios,
que son los responsables de que el diodo conduzca ligeramente en inversa.
De manera tal, que el comportamiento del fotodiodo en inversa se ve
claramente influenciado por la incidencia de luz.
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19. Un fotodiodo presenta una construcción análoga a la de un diodo LED, en el
sentido que necesita una ventana transparente a la luz por la que se
introduzcan los rayos luminosas para incidir en la unión PN. En la Figura
#2.23, aparece una geometría típica. Por supuesto, el encapsulado es
transparente a la luz.
Figura #2.23: Geometría del foto diodo
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