2.5: Otros tipos de diodos

Los diodos han sido diseñados para explotar diferentes aspectos de las uniones PN. Además del uso básico como dispositivo de conmutación o rectificación, los diodos están disponibles para regulación de voltaje, capacitancia variable, iluminación y detección de luz. Los símbolos esquemáticos para una serie de tipos de diodos populares se muestran en la Figura\(\PageIndex{1}\). Tenga en cuenta las similitudes de los símbolos. La porción de “barra” representa el cátodo para todos ellos.

Figura\(\PageIndex{1}\): Símbolos esquemáticos de diodos: a) conmutación o rectificación b) Zener c) Schottky d) varactor e) LED f) fotodiodo

2.5.1: Diodo Zener

El diodo Zener se comporta como un diodo de señal ordinario cuando está polarizado hacia adelante. Normalmente, sin embargo, los Zeners se utilizan en una condición de sesgo inverso. De nuestra discusión anterior, recordemos que si el potencial inverso es lo suficientemente alto, un diodo puede entrar en avería, provocando un rápido aumento de la corriente. Esto fue causado por cualquiera de dos efectos, conducción Zener o avalancha. El diodo Zener aprovecha esto para producir un voltaje estable ¹. Los zeners se especifican por su potencial inverso (genéricamente denominado “voltaje Zener”) y están diseñados para manejar corrientes y potencias más grandes que el diodo de señal promedio. Los voltajes Zener están estandarizados de la misma manera que las resistencias, por lo que se esperan valores como 3.9 voltios, 5.1 voltios y 6.8 voltios. El voltaje Zener se mide en\(I_{ZT}\), la corriente de prueba Zener. Una corriente más baja puede no empujar completamente el diodo a la conducción, lo que resulta en un potencial de diodo inferior al esperado.

Figura\(\PageIndex{2}\): Símbolo esquemático del diodo Zener.

En lugar de modelar el Zener como un interruptor abierto cuando está polarizado en sentido inverso, en su lugar lo modelizamos como un circuito abierto cuando su voltaje es menor que el voltaje nominal, y como una fuente de voltaje igual al valor nominal si su voltaje intenta superar ese valor. Al analizar circuitos basados en Zener, lo primero que debe hacer es determinar si el diodo está polarizado hacia adelante. Si es entonces trátelo como un diodo de conmutación ordinario. Si, por otro lado, es de polarización inversa entonces trátelo como un interruptor abierto. Si el voltaje del diodo resultante es mayor que el voltaje Zener entonces recalcula el circuito pero esta vez reemplace mentalmente el Zener con una fuente de voltaje igual al voltaje Zener. Nuestro siguiente ejemplo ilustrará este método.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Determine la corriente circulante para el circuito en la Figura\(\PageIndex{3}\). También encuentra los voltajes del diodo y de la resistencia. Supongamos que la fuente de alimentación es de 9 voltios, la tensión Zener es de 5.1 voltios y la resistencia es de 3.3 k\(\Omega\).

Figura\(\PageIndex{3}\): Esquemática por ejemplo\(\PageIndex{1}\).

El diodo tiene polarización inversa. Si lo tratamos como un circuito abierto entonces bajaría todo el voltaje de la fuente, o 9 voltios. Esto es mayor que el potencial Zener por lo que el dispositivo debe estar en conducción Zener. Esto significa que la corriente convencional fluirá con relativa facilidad en el sentido de las agujas del reloj. El voltaje a través del diodo será igual al valor nominal de 5.1 voltios, + a − del cátodo al ánodo. Por KVL la caída de resistencia debe ser de 9 V − 5.1 V, o 3.9 voltios.

\[I = \frac{E−V_{Zener}}{R} \nonumber \]

\[I = \frac{9V−5.1V}{3.3k \Omega} \nonumber \]

\[I = 1.182mA \nonumber \]

Si el diodo se volteaba en orientación entonces estaría polarizado hacia delante y mostraría los 0.7 voltios esperados con 8.3 voltios a través de la resistencia.

Simulación por Computadora

Un circuito de diodo Zener se simula como se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\).

Figura\(\PageIndex{4}\): Simulación de circuito de diodo Zener.

Sin el Zener, las dos resistencias simplemente dividirían la tensión de alimentación por igual, recibiendo cada una 5 voltios. Si se utilizara un diodo ordinario sería polarizado inverso y actuaría como un diodo abierto. Los voltajes resultantes serían los mismos. En este caso, sin embargo, el Zener se activa a 3.6 voltios (es típico incluir el voltaje Zener como parte del número de modelo con la letra “V” reemplazando el punto decimal cuando sea necesario). Por lo tanto vemos aproximadamente 3.6 voltios a través del Zener y la segunda resistencia paralela (nodo 3 a tierra). El valor preciso del voltaje dependerá de la magnitud de la corriente del diodo. Si la simulación se vuelve a ejecutar con una fuente de mayor voltaje, la corriente incrementada producirá un voltaje ligeramente mayor en el nodo 3. Esto se debe a que la curva de ruptura no es infinitamente empinada una vez que pasa el voltaje Zener nominal. El efecto es similar al\(R_{bulk}\) de un diodo con polarización directa. En una hoja de datos este valor se conoce como la resistencia diferencial, o\(R_{dif}\).

Un excelente uso del Zener es limitar o regular un voltaje. Cuando un Zener se coloca en paralelo con otros componentes podemos asegurar que esos componentes no verán un potencial mayor que el voltaje Zener nominal. Vamos a echar un vistazo mucho más de cerca a esto en el próximo capítulo.

2.5.2: Diodo Emisor de Luz (LED) y Fotodiodo

El diodo emisor de luz (LED) y el fotodiodo son complementos. Mientras que el LED produce luz con una entrada eléctrica, el fotodiodo produce una corriente cuando se expone a la luz. Ambos dispositivos pueden operar dentro del espectro visible humano y también pueden diseñarse para operar a longitudes de onda fuera de este rango, en el infrarrojo (IR) y ultravioleta (UV). De hecho, la mayoría de los controles remotos de TV dependen de pares emisor/detector IR para la comunicación ².

Figura\(\PageIndex{5}\): Símbolo esquemático de diodo emisor de luz (LED).

El LED ha desplazado las fuentes de luz incandescentes tradicionales (basadas en filamentos) en muchas aplicaciones debido a su alta eficiencia en convertir una entrada de energía eléctrica en una salida de luz. Son pequeños, físicamente robustos, funcionan relativamente fríos y están disponibles en varios colores diferentes. El símbolo esquemático se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\). La idea básica detrás de su funcionamiento es bastante simple. En una unión PN con polarización directa, cuando los electrones libres se recombinan y “caen” en agujeros de valencia de menor energía deben renunciar a este diferencial de energía de alguna manera. En la mayoría de los diodos, esta energía se emite como calor. En los LED, la transición de energía está diseñada de tal manera que se irradia a longitudes de onda más cortas (es decir, luz visible). Para lograr esto, los LEDs no se forman solo usando silicio como en un diodo de conmutación típico. En cambio, se utilizan materiales algo más exóticos. Desde un punto de vista de análisis o diseño, lo importante a recordar es que el voltaje directo tiende a ser notablemente mayor que la caída de 0.7 voltios del silicio. El valor preciso dependerá del material, lo que a su vez afecta al color. Un LED rojo genérico probablemente exhibirá una caída hacia adelante de alrededor de 1.8 voltios más o menos. Otros colores tienden a ser algo más altos a medida que nos movemos por el arco iris, terminando con LEDs azules y UV (y también versiones de alto brillo) hasta alrededor de 3 a 4 voltios. En un laboratorio es fácil determinar la caída directa aproximada de un diodo dado conectándolo en serie con una fuente de voltaje y una resistencia limitadora de corriente. El suministro se incrementa hasta lograr el brillo deseado y luego se puede medir la caída del diodo con un DMM. Cuando se polariza hacia atrás el LED se comporta como un diodo de conmutación, es decir, parece un interruptor abierto. A diferencia de los diodos de conmutación y rectificación, los potenciales inversos máximos de LED tienden a ser relativamente bajos, quizás solo unos pocos voltios.

Una hoja de datos para el LED de la serie Cree C566D se presenta en la Figura\(\PageIndex{6}\). Observe que los colores se especifican en términos de longitud de onda (en nanómetros) y la intensidad luminosa (brillo) se da en millicandella (mcd).

Figura\(\PageIndex{6a}\): Hoja de datos del LED. Cortesía de Cree, Inc.

Estos dispositivos cumplen con RoHS, lo que significa Restricción de Sustancias Peligrosas. Se trata de una directiva de la UE que limita el uso de materiales tóxicos como el plomo, el cadmio y el mercurio. Continuando, encontramos las calificaciones máximas del dispositivo:

Figura\(\PageIndex{6b}\): Hoja de datos del LED (continuación).

Tenga en cuenta los diferentes valores entre los distintos colores. La corriente directa se especifica como 50 mA para rojo/ámbar con 35 mA para verde/azul. Las corrientes nominales de funcionamiento están entre 10 y 30 mA. El voltaje inverso es de 5 voltios, típico de muchos LED aunque mucho más bajo que el diodo de conmutación promedio. El voltaje directo es típicamente de 2.1 voltios para el extremo rojo del espectro y, como se esperaba, 3.4 voltios para el extremo verde/azul. Las intensidades luminosas esperadas también varían con el color. Además, cabe señalar que los LEDs no producen luz de “color puro” a la manera de un láser. Más bien, producen un rango de longitudes de onda agrupadas en un área específica. La longitud de onda que produce la salida más alta en esta área se conoce como la longitud de onda pico o dominante. La visión humana abarca el rango de aproximadamente 400 nanómetros (violeta) a 700 nanómetros (rojo) ³.

Figura\(\PageIndex{6c}\): Hoja de datos del LED (continuación).

La figura\(\PageIndex{6c}\) presenta datos gráficos pertinentes. Observamos un aumento más o menos lineal en la intensidad luminosa con el aumento de la corriente. También, tenga en cuenta la diferencia en las gráficas de voltaje/corriente inversa entre azul/verde y rojo/ámbar. De particular interés es la gráfica final que muestra el patrón del haz o el ángulo del haz. Se puede pensar en esto en términos de cuán estrecho o ancho es el patrón de iluminación. Al comparar diferentes modelos de LEDs es útil recordar que el brillo en el eje se puede aumentar al estrechar el ángulo. Esta gráfica se divide por la mitad utilizando dos formas diferentes de mostrar los datos. En el lado izquierdo tenemos una gráfica lineal que representa el brillo relativo a medida que nos alejamos del eje central (cero grados). En el lado derecho vemos una versión de parcela polar de los mismos datos.

Ejemplo\(\PageIndex{2}\)

Determine la corriente circulante para el circuito en la Figura\(\PageIndex{7}\). Supongamos que la fuente de alimentación es de 5 voltios, el voltaje directo del LED es de 2.1 voltios y la resistencia es 330\(\Omega\).

Figura\(\PageIndex{7}\): Esquemática por ejemplo\(\PageIndex{2}\).

El LED está polarizado hacia adelante y como la fuente es mayor que el potencial del LED, debería encenderse. Usando KVL,

\[I = \frac{E−V_{LED}}{R} \nonumber \]

\[I = \frac{5V−2.1V}{330 \Omega} \nonumber \]

\[I = 8.788mA \nonumber \]

Esto debería resultar en un LED relativamente brillante. La resistencia se puede utilizar para programar de manera efectiva el brillo cambiando el nivel de corriente (una resistencia menor produce una corriente más alta y por lo tanto un LED más brillante). Dado el potencial de avance de 2.1 voltios, es probable que se trate de un LED ámbar o amarillo. Si se hubiera usado un color diferente, digamos un rojo de 1.6 voltios o un azul de 3.2 voltios, habría un cambio en la corriente y muy probablemente un cambio en el brillo. El cambio de brillo podría no hacer eco perfectamente del cambio de corriente debido a que la eficiencia de conversión para los dos diodos puede no ser la misma (consulte la Figura\(\PageIndex{7b}\) para comparar las intensidades luminosas a 20 mA para diferentes longitudes de onda).

Figura\(\PageIndex{8}\): Aplicación de LED dual.

Un circuito interesante que utiliza dos LEDs de diferentes colores se muestra en la Figura\(\PageIndex{8}\). Se utiliza una fuente de CA para accionar los LEDs. Solo uno de los dos estará sesgado hacia adelante en un momento dado. Para fuente positiva los voltajes\(D_1\) estarán encendidos mientras que\(D_2\) estarán apagados. Para los voltajes de fuente negativos será cierto lo contrario. La resistencia\(R\) sirve para limitar la corriente para ambos. Supongamos que\(D_1\)\(D_2\) es rojo y azul. Además, supongamos que la frecuencia de la fuente es relativamente baja, digamos 1 hercio. Para el medio ciclo positivo (.5 segundos) se encenderá el LED rojo y para el medio ciclo negativo se encenderá el LED azul. Este patrón alterno continúa mientras se aplique la fuente pero sucede algo curioso a medida que aumentamos la frecuencia. Al principio, la tasa de parpadeo aumentará con el rojo y el azul parpadeando de un lado a otro cada vez más rápido. En algún momento, quizás alrededor de 30 hercios más o menos, aparecerá como si ambos LEDs estuvieran encendidos continuamente. Esto se debe a que el sentido visual humano tenderá a integrar el movimiento rápido y efectivamente vemos la intensidad “promedio”. De hecho, este truco de “encendido-apagado” se usa a menudo en circuitos digitales para controlar el brillo de los LED o la velocidad de los motores. Los ledes bicolores están disponibles en un solo paquete. Usando un cable común y dos cables de control (uno para cada color), es posible lograr la mezcla de color.

El inverso lógico del LED es el fotodiodo, cuyo símbolo esquemático se ilustra en la Figura\(\PageIndex{9}\). El fotodiodo incluye alguna manera de puerto que permite que la luz golpee la unión. Un fotón de luz suficientemente energético puede golpear perder un electrón. Esto crea un par electrón-agujero que da como resultado el flujo de corriente. A medida que se agrega más energía lumínica al sistema, se producirá un aumento de la corriente o voltaje ⁴.

Figura\(\PageIndex{9}\): Símbolo esquemático del fotodiodo.

Los fotodiodos pueden operar en uno de dos modos. El primer modo es el modo fotovoltaico. Utiliza sesgo cero (es decir, sin potencial de sesgo externo). En este modo, el fotodiodo opera como fuente de voltaje. Este es el modo utilizado por las células solares fotovoltaicas. Se les puede considerar como fotodiodos muy grandes. El segundo modo de operación es el modo fotoconductor. Este modo requiere polarización inversa del diodo con un potencial externo. En este modo el diodo actúa más como una fuente de corriente. La ventaja es que la respuesta es más rápida que el modo fotovoltaico. El inconveniente es que el ruido y la corriente oscura son peores. La corriente oscura es la corriente producida incluso cuando no hay luz brillante sobre el fotodiodo. Idealmente esto sería cero. Una gran corriente oscura reduce el rango dinámico efectivo del dispositivo.

2.5.3: Diodos Schottky y Varactor

El diodo Schottky es un dispositivo de propósito especial. Lleva el nombre de Walter Schottky, físico alemán. A diferencia de otros diodos que se basan en una unión semiconductor-semiconductor, el diodo schottky está compuesto por un contacto semiconductor-tometal. El diodo Schottky exhibe dos ventajas principales sobre los diodos tradicionales. Primero, tienen tiempos de conmutación muy rápidos, quizás órdenes de magnitud de mejora. En segundo lugar, presentan voltajes de encendido relativamente bajos. En lugar de los 0.6 a 0.7 voltios que se ven con un diodo de unión de silicio, un diodo Schottky puede encenderse con tan solo 0.2 o 0.3 voltios. En consecuencia, los diodos Schottky se utilizan cuando la velocidad de conmutación muy rápida y/o la minimización de las caídas de voltaje directo son importantes. Los ejemplos incluyen diodos de derivación en fuentes de alimentación conmutadas y circuitos detectores de RF. Su símbolo esquemático se muestra en la Figura\(\PageIndex{10}\).

Figura\(\PageIndex{10}\): Símbolo esquemático del diodo Schottky.

El diodo varactor es otro dispositivo de propósito especial. Su símbolo esquemático se ilustra en la Figura\(\PageIndex{11}\). Se utiliza como una capacitancia controlada eléctricamente (tenga en cuenta que el símbolo esquemático aparece como un híbrido de símbolos normales de diodo y condensador).

Figura\(\PageIndex{11}\): Símbolo esquemático del diodo varactor.

Los varactores se utilizan en modo de polarización inversa. La clave para entender su funcionamiento es considerar la estructura de un diodo, comparándolo con la construcción de un condensador. Considera que la región de agotamiento es el dieléctrico de un condensador con el ánodo y el cátodo siendo las placas del condensador. En consecuencia, todos los diodos de unión exhiben cierta capacitancia. Normalmente, los diseñadores tratan de minimizar este efecto pero se explota con varactores. Como se señaló en nuestra discusión anterior, aumentar el potencial de polarización inversa en un diodo hace que su región de agotamiento se ensanche. Todo lo demás siendo igual, aumentar la separación de placas de un condensador disminuye su capacitancia. Por lo tanto, al aumentar el potencial de polarización inversa, aumentamos el espaciado efectivo de las placas y disminuimos la capacitancia de la unión de diodos. Ahora tenemos una capacitancia cuyo valor está determinado por un voltaje de polarización de CC. Esta capacitancia se puede utilizar como parte de circuitos electrónicos de sintonización para aplicaciones como osciladores y filtros. En comparación con los condensadores fijos los valores tienden a ser pequeños, en las decenas a cientos de picofaradios, pero es suficiente para mucho trabajo de radiofrecuencia. Las ventajas sobre los condensadores ajustables mecánicamente son múltiples, incluyendo tamaño pequeño, alta confiabilidad, bajo costo y la capacidad de cambiar rápidamente la capacitancia ⁵.

Referencias

¹ Aunque se les llama diodos Zener, se basan en los efectos Zener o avalancha, dependiendo de la magnitud de la tensión.

² Hay ventajas al usar el infrarrojo sobre el espectro visible para esta aplicación. Tiende a ser menos sensible a las condiciones de iluminación de la habitación y no hay destellos visibles potencialmente molestos de luz provenientes del control remoto.

³ Es interesante observar que el sistema visual humano opera en un rango de frecuencia inferior a 2:1 mientras que el sistema auditivo humano opera en un rango de frecuencia de aproximadamente 1000:1 (20 hercios a 20,000 hercios). Si la audición humana tuviera un rango equivalente al de nuestra vista, escucharíamos menos de una octava completa de tonos en total. En otras palabras, do-re-mi-fa-sol-la-ti-do terminaría en ti y cualquier cosa más allá sería inaudible. En tal caso una cosa es cierta: los teclados de piano serían mucho más cortos.

⁴ Como nota al margen, dependiendo de su construcción algunos LEDs pueden ser utilizados como fotodiodos crudos. Aunque no están optimizados para este uso puede ser entretenido hacer brillar una luz en un LED y verlo producir un voltaje.

⁵ La versión mecánica requeriría un condensador ajustable de estilo giratorio conectado a algún tipo de pequeño motor o solenoide para mover las placas del condensador. Si bien esto puede funcionar a frecuencias más bajas, si se necesitan cambios rápidos, el calor resultante generado por fricción puede hacer que este artilugio estalle en llamas. En términos generales, esto no es algo que queramos que hagan nuestros circuitos.