Unidad tematica nro2 de dispositivos electrónicos

Un diodo es un dispositivo semiconductor que actúa esencialmente como un interruptor unidireccional para la corriente. Permite que la
corriente fluya en una dirección, pero no permite a la corriente fluir en la dirección opuesta.
Los diodos también se conocen como rectificadores porque cambian corriente alterna (CA) a corriente continua (CC) pulsante. Los diodos
se clasifican según su tipo, voltaje y capacidad de corriente.
Los diodos tienen una polaridad determinada por un ánodo (terminal positivo) y un cátodo (terminal negativo). La mayoría de los diodos
permiten que la corriente fluya solo cuando se aplica tensión al ánodo positivo.

¿Cómo funciona un diodo?
Cuando un diodo permite un flujo de corriente tiene polarización directa y se puede decir que actúa como conductor. Al contrario, cuando
tiene polarización inversa, no permite el flujo de corriente y se puede decir que actúa como aislante.
Es importante remarcar que la flecha del símbolo del dispositivo apunta en sentido opuesto al del flujo de electrones.
Los diodos tienen la capacidad de que los electrones fluyan en una sola dirección, actuando como un rectificador. Son la estructura
fundamental de los semiconductores y muchos otros componentes electrónicos se fabrican teniendo como base a estos dispositivos. Para
explicar el funcionamiento de un diodo es necesario explicar su estructura, más conocida como “Unión PN”.
Unión PN
Los diodos tienen una estructura electrónica llamada Unión PN, es decir, son la unión de un material semiconductor llamado N con otro
conocido como P. Los semiconductores de tipo N están formados por átomos de material semiconductor, Silicio o Germanio, al que se le
agregan impurezas con átomos de otro material con 5 electrones de valencia.
Como los átomos del material semiconductor tienen 4 electrones de valencia y los átomos de impureza 5, se pueden formar 4 enlaces
covalentes y sobrará un electrón por cada átomo de impureza que quedará libre. Este electrón libre será el portador de la electricidad.
Por otra parte, los semiconductores extrínsecos del tipo P son material semiconductor al que se les añade átomos de impurezas con 3
electrones de valencia.
En este caso, cada átomo del material semiconductor sólo podrá formar 3 enlaces con los átomos de impurezas, dejando un hueco
esperando a que llegue un electrón para formar el enlace que faltará y que se convertirá en el portador de energía.
En resumen, en la zona N tenemos electrones libres y en la zona P huecos en espera de ser rellenados por electrones.

Símbolo del diodo
Existen varios tipos de diodos, y el símbolo esquemático para un diodo rectificador o para propósitos generales se muestra en la figura.
La región N se llama cátodo y la región P ánodo.
La “flecha” en el símbolo apunta en la dirección de la corriente convencional, opuesta al flujo de electrones.

Conexión para polarización en directa
Un diodo está polarizado en directa cuando se conecta a una fuente de voltaje como muestra la figura (a). La terminal positiva de la fuente
se conecta al ánodo mediante un resistor limitador de corriente, y la terminal negativa se conecta al cátodo. La corriente de polarización en
directa (IF) circula del ánodo al cátodo como se indica. La caída del voltaje de polarización en directa (VF) debido al potencial de barrera es
de positivo en el ánodo a negativo en el cátodo.
Conexión para polarización en inversa
Un diodo está polarizado en inversa cuando se conecta una fuente de voltaje, como muestra la figura (1). La terminal negativa de la fuente
se conecta al ánodo del circuito y la positiva al cátodo. La corriente de polarización en inversa es extremadamente pequeña y puede ser
considerada cero. Observe que todo el voltaje de polarización (VPOLARIZACIÓN) aparece a través del diodo.

Aproximaciones del diodo - El modelo ideal de un diodo
El modelo ideal de un diodo es la aproximación menos precisa y puede ser representado por un interruptor simple. Cuando el diodo está
polarizado en directa, actúa idealmente como un interruptor cerrado (prendido), cuando el diodo está polarizado en inversa, idealmente
actúa como un interruptor abierto (apagado),
Aunque el potencial de barrera, la resistencia dinámica de polarización en directa y la corriente de polarización en inversa se desprecian,
este modelo es adecuado en la mayoría de las situaciones de solución de fallas cuando se está tratando de determinar si el diodo está
trabajando apropiadamente.

Aproximaciones del diodo - El modelo práctico de un diodo
Este modelo incluye el potencial de barrera. Cuando el diodo está polarizado en directa, equivale a un interruptor cerrado en serie con una
pequeña fuente de voltaje equivalente (VF) igual al potencial de barrera (0,7 V en Si) con el lado positivo hacia el ánodo, Esta fuente de
voltaje equivalente representa el potencial de barrera que debe ser excedido por el voltaje de polarización antes de que el diodo conduzca
y no sea una fuente de voltaje activa. Cuando conduce, aparece una caída de voltaje de 0,7 V a través del diodo.
Cuando el diodo está polarizado en inversa, equivale a un interruptor abierto exactamente como el modelo ideal, El potencial de barrera no
afecta la polarización en inversa, así que no es un factor.
𝑉 𝐹 =0,7𝑉

Aproximaciones del diodo - El modelo completo de un diodo
Este modelo de un diodo es la aproximación más precisa e incluye el potencial de barrera, la pequeña resistencia dinámica de polarización
en directa (r’d) y la gran resistencia interna de polarización en inversa (r’R). La resistencia de polarización en inversa se toma en cuenta
porque proporciona una trayectoria para la corriente de polarización en inversa, la cual está incluida en este modelo de diodo.
Cuando el diodo está polarizado en directa, actúa como un interruptor cerrado en serie con el voltaje de potencial de barrera equivalente
(VB) y la pequeña resistencia dinámica de polarización en directa r’d . Cuando el diodo está polarizado en inversa, actúa como un
interruptor abierto en paralelo con la gran resistencia interna de polarización en inversa. El potencial de barrera no afecta la polarización
en inversa, por lo que no es un factor.

Como el potencial de barrera y la resistencia dinámica de polarización en directa están incluidos, se supone que el diodo tiene un voltaje a
través de él cuando se polariza en directa. Este voltaje (VF) se compone del voltaje de potencial de barrera más la pequeña caída de voltaje
a través de la resistencia dinámica, como lo indica la parte de la curva a la derecha del origen. La curva se inclina porque la caída de
voltaje generada por la resistencia dinámica, es decir, se incrementa a medida que se incrementa la corriente. Para el modelo completo de
un diodo de silicio, se aplica la siguiente formula.
𝑉 𝐹 =0,7𝑉 +𝐼𝐹 ∗𝑟 ′𝑑
La corriente de polarización en inversa se toma en cuenta con la resistencia en paralelo y está indicada por la parte de la curva a la
izquierda del origen. La parte de ruptura de la curva no se muestra porque la ruptura no es un modo normal de operación para la mayoría
de los diodos.

Encapsulados típicos de diodos
Existen varias configuraciones físicas comunes de diodos, una gran división puede describir por un lado los montados a través de
un orificio en placas de circuitos impresos (PCB) y por otro los de montaje superficial en placas de circuito impreso (PCB).
El cátodo normalmente se marca con una banda, una pestaña o algún otro elemento. En aquellos encapsulados donde un conductor está
conectado a la capsula (case), ésta es el cátodo.

Ge, Si y GaAs
El análisis realizado hasta ahora ha utilizado
únicamente silicio (Si) como material semiconductor
base. Ahora es importante compararlo con otros dos
materiales de primordial importancia: GaAs y Ge. De
inmediato es obvio que el punto de levantamiento
vertical de las características es diferente para cada
material, aunque la forma general de cada una es muy
semejante.
El germanio es el más cercano al eje vertical y el
GaAs es el más distante. Como se observa en las
curvas, el centro de la rodilla de la curva está
aproximadamente en 0,3V para Ge, 0,7V para Si y
1,2V para GaAs.
La forma de la curva en la región de polarización
inversa también es bastante parecida para cada
material, pero observe la diferencia medible en las
magnitudes de las corrientes de saturación en inversa
típicas. Para GaAs, la corriente de saturación en
inversa es por lo general de aproximadamente 1 pA,
comparada con 10 pA para Si y 1 mA para Ge; una
diferencia significativa de niveles.
También observe las magnitudes relativas de los
voltajes de ruptura en inversa para cada material.

Efectos de la temperatura
La temperatura puede tener un marcado efecto en las
características de un diodo semiconductor como lo
demuestran las características de un diodo de silicio
mostradas en la figura. En la región de polarización en
directa las características de un diodo de silicio se
desplazan a la izquierda a razón de 2,5 mV por grado
centígrado de incremento de temperatura.
Un incremento desde la temperatura ambiente (20°C)
hasta 100 °C (el punto de ebullición del agua) produce
una caída de 80*(2,5 mV ) = 200 mV o 0,2V lo cual
es significativo en una gráfica graduada en décimas de
volts. Una reducción de la temperatura tiene el efecto
inverso, como también se muestra en la figura.
En la región de polarización en inversa la corriente de
saturación en inversa de un diodo de silicio se duplica
por cada 10°C de aumento de la temperatura.
Con un cambio de 20°C a 100°C, el nivel de Is se
incrementa desde 10 nA hasta un valor de 2,56 mA, el
cual es un incremento significativo de 256 veces.
Por último, es importante señalar que el voltaje de
ruptura en inversa de un diodo semiconductor se
incrementará o reducirá con la temperatura.

Verificación del estado de un diodo utilizando el multímetro
Muchos multímetros digitales tienen una función de prueba de diodos que constituye una manera cómoda de probar un diodo.

Niveles de resistencia
A medida que el punto de operación de un diodo se mueve de una región a otra, su resistencia también cambia debido a la forma no lineal
de la curva de características. En los párrafos siguientes se demostrará que el tipo de voltaje o señal aplicada definirá el nivel de resistencia
de interés.
Resistencia de CC o estática
La aplicación de un voltaje de CC a un circuito que contiene un diodo semiconductor produce un punto de operación en la curva de
características que no cambia con el tiempo. La resistencia del diodo en el punto de operación se halla determinando los niveles
correspondientes de VD e ID como y aplicando la siguiente ecuación:
𝑅𝐷 =
𝑉 𝐷
𝐼𝐷
Los niveles de resistencia de CC en la rodilla y debajo de ella son mayores que los niveles de resistencia obtenidos para la sección de
levantamiento vertical de las características. Los niveles de resistencia en la región de polarización en inversa son por naturaleza bastante
altos. Como los óhmetros en general emplean una fuente de corriente relativamente constante, la resistencia determinada será un nivel de
corriente preestablecido (por lo general de algunos miliamperes). En general, por consiguiente, cuanto mayor sea la corriente a través de un
diodo, menor será el nivel de resistencia de CC.

Resistencia de CA o dinámica
Es obvio de acuerdo con la ecuación para el calculo de la resistencia de CC que su valor en un diodo es independiente de la forma de las
características en la región alrededor del punto de interés. Si se aplica una entrada senoidal en lugar de una de CC, la situación cambiará
por completo. La entrada variable moverá el punto de operación instantáneo hacia arriba y hacia abajo de una región de las características,
y por lo tanto define un cambio específico de la corriente y voltaje. Sin ninguna señal variable aplicada, el punto de operación sería el
punto Q que aparece en la figura, determinado por los niveles de CC aplicados. La designación de punto Q se deriva de la palabra
quiescente, que significa “fijo o invariable”.
𝑟 𝑑=
∆ 𝑉 𝐷
∆ 𝐼𝐷
Una línea recta trazada tangente a la curva por el punto Q como se muestra en la figura definirá un cambio particular del voltaje y corriente
que se puede utilizar para determinar la resistencia de CA o dinámica en esta región de las características del diodo. Se deberá hacer un
esfuerzo por mantener el cambio de voltaje y corriente lo más pequeño posible y equidistante a ambos lados del punto Q.

Capacidad de Difusión y Transición
Es de suma importancia tener presente que todo dispositivo electrónico o eléctrico es sensible a la frecuencia. Es decir, las características
terminales de cualquier dispositivo cambian con la frecuencia. Incluso la resistencia de un resistor básico, como el de cualquier
construcción, es sensible a la frecuencia aplicada. A frecuencias de bajas a medias se puede considerar que la mayoría de los resistores
tienen un valor fijo. No obstante, a medida que alcanzamos altas frecuencias, los efectos parásitos capacitivos e inductivos empiezan a
manifestarse y afectan el nivel de impedancia total del elemento.
En el diodo los niveles de capacitancia parásita son los que tienen un mayor efecto. A bajas frecuencias y a niveles relativamente bajos de
capacitancia, la reactancia de un capacitor, determinada por XC= 1/(2π f C) en general es tan alta que se le puede considerar de magnitud
infinita, representada por un circuito abierto e ignorada. A altas frecuencias, sin embargo, el nivel de XC puede reducirse al punto de que
creará una trayectoria de cortocircuito de baja reactancia. Si esta trayectoria de cortocircuito ocurre a través del diodo, en esencia puede
evitar que éste afecte la respuesta de la red.
En el diodo semiconductor PN hay dos efectos capacitivos que tienen que ser considerados. Ambos tipos de capacitancia están presentes
en las regiones de polarización en directa y en inversa, pero uno predomina sobre el otro en cada región por lo que consideramos los
efectos de sólo uno en cada región.
En la región de polarización en inversa tenemos la capacitancia de transición o de región de empobrecimiento (CT) en tanto que en la
región de polarización en directa tenemos la capacitancia de almacenamiento o difusión (CD).

Recuerde que la ecuación básica para la capacitancia de un capacitor de placas paralelas está definida por:
𝐶=
∈∗ 𝐴
𝐷
donde es la permitividad del dieléctrico (aislante) entre las placas de área A separadas por una distancia d. En la región de polarización en
inversa hay una región de empobrecimiento (libre de portadores) que se comporta en esencia como un aislante entre las capas de cargas
opuestas. Como el ancho de la región de empobrecimiento (d) se incrementa con el potencial de polarización en inversa incrementado, la
capacitancia de transición resultante se reduce. El hecho de que la capacitancia depende del potencial de polarización en inversa aplicado
tiene aplicación en varios sistemas electrónicos. Aun cuando el efecto antes descrito también se presenta en la región de polarización en
directa, es eclipsado por un efecto de capacitancia que depende directamente de la velocidad a la cual se inyecta la carga en las regiones
justo fuera de la región de empobrecimiento. El resultado es que los niveles incrementados de corriente aumentan los niveles de
capacitancia de difusión.
Cuando estamos en polarización directa aparece entonces una capacidad de difusión CD mucho mayor que la vista anteriormente como
capacidad de transición CT.
Los efectos de capacitancia antes descritos se representan por medio de capacitores en paralelo con el diodo ideal, sin embargo, en
aplicaciones de baja a media frecuencia (excepto en el área de potencia), normalmente el capacitor no se incluye en el símbolo de diodo.
En polarización directa CD >> CT
En polarización inversa CD << CT

Capacitancias de transición y difusión contra polarización aplicada en un diodo de silicio.

TIEMPO DE
RECUPERACIÓN INVERSA

Existen ciertos datos que normalmente vienen en las hojas de especificaciones de diodo provistas por los fabricantes. Uno de ellos que
aún no se ha considerado es el del tiempo de recuperación en inversa, denotado por trr. En el estado de polarización en directa ya antes se
demostró que hay una gran cantidad de electrones del material tipo n que avanzan a través del material tipo p y una gran cantidad de
huecos en el material tipo n, lo cual es un requisito para la conducción. Los electrones en el material tipo p y los huecos que avanzan a
través del material tipo n establecen una gran cantidad de portadores minoritarios en cada material. Si el voltaje aplicado se tiene que
invertir para establecer una situación de polarización en inversa, de algún modo nos gustaría ver que el diodo cambia instantáneamente del
estado de conducción al de no conducción. Sin embargo, por el gran número de portadores minoritarios en cada material, la corriente en el
diodo se invierte como se muestra en la figura y permanece en este nivel medible durante el intervalo ts (tiempo de almacenamiento)
requerido para que los portadores minoritarios regresen a su estado de portadores mayoritarios en el material opuesto. En esencia, el diodo
permanece en el estado de cortocircuito con una corriente inversa determinada por los parámetros de la red. Con el tiempo, cuando esta
fase de almacenamiento ha pasado, el nivel de la corriente se reduce al nivel asociado con el estado de no conducción. Este segundo lapso
está denotado por tt (intervalo de transición). El tiempo de recuperación en inversa es la suma de estos dos intervalos. Ésta es una
consideración importante en aplicaciones de conmutación de alta velocidad. La mayoría de los diodos de conmutación comerciales tienen
un trr en el intervalo de algunos nanosegundos a algunos milisegundos.
𝑡𝑟𝑟 = 𝑡𝑠+𝑡𝑡

En la conducción de CA, el parámetro clave que determina la respuesta del diodo es el tiempo de recuperación inversa. Este parámetro
define cómo el diodo conmuta entre polarización directa e inversa en función del tiempo necesario para barrer los portadores de la unión
(o la región de agotamiento en un diodo pn ). Tras un tiempo adecuado, el exceso de carga abandonará la unión y el estado de conducción
se conmutará por completo.
El tiempo de recuperación inversa tiene una definición simple, si un diodo se activa inicialmente en polarización directa y la polaridad
cambia repentinamente a polarización inversa, el diodo seguirá conduciendo durante algún tiempo. El tiempo necesario para que la
conducción se establezca en el estado de polarización inversa es el tiempo de recuperación inversa del diodo.
El tiempo de recuperación inversa parece comportarse de forma similar a la descarga de un condensador, donde la corriente conducida
finalmente decae a cero. Este comportamiento se aprecia con mayor claridad en un gráfico de la corriente de polarización directa del
diodo en función del tiempo.
Dado que el diodo sigue conduciendo después del cambio de polaridad, la corriente cambia momentáneamente de positiva a negativa y
permanece negativa durante un tiempo antes de decaer a cero. Técnicamente, el tiempo necesario para que la corriente remanente decaiga
a cero es infinito, pero con el tiempo la corriente se volverá tan pequeño que será indistinguible de las fluctuaciones inherentes del ruido
de fondo. Debido a esto, se suele establecer un porcentaje de corriente al cual deseamos llegar para considerar al dispositivo polarizado en
inversa.
El tiempo de recuperación inversa dependerá de varios factores:
• El valor inicial de voltaje de polarización directa, o en forma mas especifica el valor de corriente directa inicial.
• El valor de circulación de una corriente en el bucle inverso del diodo.
• La capacitancia de unión.
Si se conoce el tiempo de recuperación inverso, se puede determinar la frecuencia de conmutación máxima para el circuito donde
trabajará nuestro semiconductor.

La capacitancia en la unión de los diodos varía con la cantidad de polarización en inversa. Los diodos varactores están diseñados
especialmente para aprovechar esta característica y se utilizan como capacitores controlados por voltaje
En lugar de los diodos tradicionales, estos dispositivos se utilizan comúnmente en sistemas de comunicación. Los diodos varactores
también se conocen como varicap o diodos sintonizadores.
Un varactor es un diodo que siempre opera con polarización en inversa y se dopa para incrementar al máximo la capacitancia inherente de
la región de empobrecimiento. La región de empobrecimiento actúa como el dieléctrico del capacitor debido a su característica no
conductora. Las regiones p y n son conductoras y actúan como las placas de un capacitor.

Recuerde que los parámetros, área de las placas (A), la constante dieléctrica ( ) y la separación de las placas (d) determinan la
∈
capacitancia. Conforme el voltaje de polarización en inversa se incrementa, la región de empobrecimiento se ensancha y la separación de
las placas se incrementa, por lo que se reduce la capacitancia.
C =
𝐴 ∈
𝑑

Circuito de aplicación:
Datasheet ejemplo:
Documento
Adobe Acrobat
Documento
Adobe Acrobat

Datasheet del diodo
En las hojas de datos (datasheet) dadas por el fabricante de cualquier dispositivo electrónico encontramos la información necesaria como
para poder operar al dispositivo sin exceder sus límites de funcionamiento. Por ello, es necesario interpretar los datos que allí se
especifican.
En un primer caso nos referiremos a diodos rectificadores típicos tomando como ejemplo a la serie 1N4001 - 1N4007. En forma general,
se presentan datos en forma de tabla y en forma de gráficos.
En la primera hoja encontramos información sobre el tipo de encapsulado y la indicación por medio de la franja de color del terminal
correspondiente al cátodo. De esta forma podremos colocar al dispositivo en un circuito identificando correctamente sus terminales.
Básicamente, podemos agrupar los parámetros que caracterizan al diodo como:

Valores típicos en régimen estático de bloqueo
VRRM o VRWM. Tensión inversa de pico de trabajo. Es la que puede ser soportada por el diodo sin llegar a la zona de ruptura.
VRRMM. Tensión inversa de pico repetitiva. Es la que puede ser soportada por el diodo en picos de cierta duración.
VRSM. Tensión inversa de pico no repetitiva. Es la máxima tensión inversa transitoria que puede ser soportada por el diodo en forma no
repetitiva.
V(BR). Tensión inversa de ruptura por avalancha. Cuando se alcanza este valor de tensión la corriente inversa comienza a aumentar
abruptamente y se destruye.
VR o VDC. Tensión inversa continua. Es la que soporta el diodo en estado de bloqueo
IR. Máxima corriente en inversa. Es el valor de corriente que circula en estado de bloqueo.
Valores típicos en régimen estático de conducción
IF. Corriente directa. Es la corriente que circula en estado de conducción.
VF. Tensión en directa. Es la tensión que tendremos en estado de conducción.
IF(AV) o IO. Corriente directa media. Valor medio de la corriente que puede soportar el diodo.
VF(AV). Tensión directa media. Valor medio de la tensión en directa.
IFRM. Corriente directa de pico repetitiva. Se define como la corriente que puede ser soportada cada 20 ms con un pico de duración de 1ms
a T= 25° C
IFSM. Corriente directa de pico no repetitiva. Máximo pico de intensidad de corriente que puede soportar el dispositivo
Valores típicos de potencia
Pmax o PO. Máxima potencia disipable. Máxima potencia que puede disipar el dispositivo.
PAV. Potencia media disipada. Es la potencia que corresponde al estado de conducción.
PRRM. Potencia inversa de pico repetitiva. Máxima potencia que puede disipar el diodo en estado de bloqueo.
PRSM. Potencia inversa de pico no repetitiva. Máxima potencia que puede disipar el diodo cuando se aplica un solo pulso.

Características térmicas
Tjmax. Temperatura máxima de juntura. Es el límite máximo de temperatura. Si es sobrepasado puede destruir al dispositivo.
Tstg. Temperatura de almacenamiento. Es la temperatura a la que se almacena el dispositivo cuando no se le aplica potencia.
RθJA. Resistencia térmica juntura-ambiente. Es la resistencia térmica [ºC/W] entre la juntura del semiconductor y el ambiente.
RθJC. Resistencia térmica juntura-carcasa. Es la resistencia térmica [ºC/W] entre la unión del semiconductor y el encapsulado del
dispositivo.

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