5.2: Diodos

Los diodos son dispositivos de dos terminales que tienen características de corriente-voltaje no lineales. Los diodos más comunes utilizados en la ingeniería de microondas se enumeran en la Tabla 5.1.1 junto con sus símbolos estándar. Idealmente, un rectificador permite que la corriente fluya en una dirección y no en la otra. Un diodo general, generalmente un diodo de unión o un diodo Schottky, es un tipo de rectificador, pero los rectificadores son más generales, y, por ejemplo, se pueden realizar usando dispositivos de vacío.

Diodos Schottky y de empalme

Los diodos de unión son dispositivos de dos terminales que derivan sus características del efecto barrera que se produce en la unión de dos tipos diferentes de semiconductores (uno con exceso de agujeros libres y otro con exceso de electrones libres), o en la interfaz de un metal y un semiconductor. El resultado es una característica asimétrica de corriente-voltaje, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) (a). Esta no es una característica ideal del rectificador, ya que requiere que se alcance un voltaje umbral antes de que haya un flujo de corriente apreciable. Diodo basado en semiconductores

Figura\(\PageIndex{1}\): Características de un diodo de unión pn o un diodo Schottky: (a) característica de corriente-voltaje; (b) característica de capacitancia-voltaje; y (c) modelo de diodo.

las características son descritas por [4, 5, 6]

\[\label{eq:1}I=I_{0}\left[\text{exp}\left(\frac{qV}{nkT}\right)-1\right] \]

donde\(V\) está el voltaje a través de la unión,\(q(= −e)\) es el valor absoluto de la carga de un electrón,\(k\) es la constante de Boltzmann\((1.37\cdot 10^{−23}\text{ J/K})\), y\(T\) es la temperatura absoluta (en kelvin). \(I_{0}\)es la corriente de saturación inversa y es pequeña, con valores que van desde\(1\text{ pA}\) hasta\(1\text{ nA}\). La cantidad\(n\) es el factor de idealidad del diodo, con\(n = 2\) para los diodos de unión pn de unión gradual y\(n = 1.0\) para los diodos de unión escalonada donde la interfaz entre los materiales semiconductores tipo p y tipo n es abrupta. La unión abrupta es realizada más de cerca por un diodo Schottky, donde un metal forma un lado de la interfaz (típicamente) reemplazando al semiconductor de tipo p. Los portadores se recombinan rápidamente en el metal, mucho más rápido de lo que lo harían en un semiconductor. Por lo tanto, un diodo Schottky opera a frecuencias más altas que un diodo de unión pn. Un factor de idealidad de unidad\(n\),, de\(1\) es lo mejor que se puede lograr, dando como resultado la no linealidad más fuerte. Cuando el voltaje aplicado es lo suficientemente positivo como para hacer que fluya una corriente grande, se dice que el diodo está polarizado hacia delante. Cuando el voltaje es negativo, el flujo de corriente es insignificante y se dice que el diodo tiene polarización inversa. Con una polarización inversa suficientemente grande, los electrones son arrancados de las bandas de valencia de los átomos semiconductores y la corriente aumenta rápidamente en un proceso llamado ionización de impacto o avalancha. El voltaje en el que esto ocurre se llama voltaje de ruptura inversa.

En un diodo semiconductor, la carga se separa a lo largo de la distancia y así un diodo tiene una capacitancia apreciable, llamada capacitancia de unión, modelada matemáticamente como

\[\label{eq:2}C_{j}(V)=\frac{C_{j0}}{(1-(V/\phi))^{\gamma}} \]

donde\(\phi\) está la diferencia de potencial incorporada a través del diodo. Este perfil de capacitancia se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) (b). El potencial incorporado es típicamente\(0.6\text{ V}\) para diodos de silicio y\(0.75\text{ V}\) para diodos GaAs. El perfil de dopaje se puede ajustar de manera que\(\gamma\) pueda ser menor que el ideal\(\frac{1}{2}\) de un diodo de unión abrupta.

La corriente debe fluir a través del semiconductor a granel antes de llegar a la región activa del diodo semiconductor, por lo que habrá una caída de voltaje resistiva. La combinación de efectos conduce al circuito equivalente de una unión pn o diodo Schottky que se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) (c).

Diodo Varactor

Un diodo varactor es un diodo de unión pn operado en polarización inversa y optimizado para un buen rendimiento como condensador sintonizable. Idealmente, tiene baja corriente de saturación inversa, alto voltaje de ruptura inversa y un perfil de capacitancia específico diseñado para una aplicación particular.

Una aplicación común de un diodo varactor es como el elemento sintonizable en un oscilador controlado por voltaje (VCO) donde el varactor, con capacitancia dependiente de voltaje\(C\), es parte de un circuito resonante (a menudo llamado circuito de tanque) con un inductor agrupado,\(L\). La frecuencia resonante del circuito del tanque es proporcional a\(1/\sqrt{LC}\), por lo que al aplicar un voltaje a un diodo varactor,\(C\) cambia, se sintoniza la frecuencia resonante del circuito del tanque y se cambia la frecuencia de oscilación. La capacitancia frente al voltaje se describe mediante la Ecuación\(\eqref{eq:2}\) y la dependencia del voltaje se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) (b).

Diodo PIN

Un diodo PIN es una variación en un diodo de unión pn con una región de semiconductor intrínseco (el I en PIN) entre las regiones semiconductoras de tipo p y tipo n. Las propiedades del diodo PIN dependen de si hay portadoras en la región intrínseca. El diodo PIN tiene las características de corriente-voltaje de un diodo de unión pn a bajas frecuencias; sin embargo, a altas frecuencias parece una resistencia lineal, ya que los portadores en la región intrínseca se mueven lentamente. Cuando se aplica una tensión continua directa al diodo PIN, la región intrínseca se inunda con portadoras, y a frecuencias de microondas el diodo PIN se modela como una resistencia de bajo valor. A altas frecuencias no hay tiempo suficiente para eliminar las portadoras en la región intrínseca, por lo que incluso si el voltaje total (CC más RF) a través del diodo PIN es negativo, hay portadoras en la región intrínseca a lo largo del ciclo de RF. Si el voltaje de CC es negativo, las portadoras se eliminan de la región intrínseca y el diodo parece una resistencia de gran valor en RF. El diodo PIN se puede utilizar como un interruptor de microondas controlado por una tensión de CC.

Diodo Zener

Los diodos Zener son diodos pn junction o Schottky que han sido especialmente diseñados para tener características de ruptura inversa nítidas [5]. Se pueden utilizar para establecer una referencia de voltaje o, como diodo limitador, para proporcionar protección de circuitos más sensibles. Como limitador, se encuentran en dispositivos de comunicación en una configuración consecutiva para limitar los voltajes que se pueden aplicar a los circuitos de RF sensibles.

Diodo LED

En los diodos semiconductores, la recombinación de agujeros y electrones puede resultar en la generación de fotones. Este efecto se potencia para formar diodos emisores de luz (LEDs) [4, 5, 7, 8].