3.12: Diodos de propósito especial
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Diodos Schottky
Los diodos Schottky están construidos de una unión de metal a N en lugar de una unión de semiconductores P-N. También conocidos como diodos portadores calientes, los diodos Schottky se caracterizan por tiempos de conmutación rápidos (bajo tiempo de recuperación inversa), baja caída de voltaje directo (típicamente 0.25 a 0.4 voltios para una unión metal-silicio) y baja capacitancia de unión.
El símbolo esquemático de un diodo Schottky se muestra en la Figura siguiente.
Símbolo esquemático de diodo Schottky.
La caída de voltaje directo (V F), el tiempo de recuperación inversa (t rr) y la capacitancia de unión (C J) de los diodos Schottky están más cerca de lo ideal que el diodo de “rectificación” promedio. Esto los hace muy adecuados para aplicaciones de alta frecuencia. Desafortunadamente, sin embargo, los diodos Schottky normalmente tienen menores clasificaciones de corriente directa (I F) y voltaje inverso (V RRM y V CC) que los diodos rectificadores y, por lo tanto, no son adecuados para aplicaciones que involucran cantidades sustanciales de potencia. Aunque se utilizan en fuentes de alimentación del regulador de conmutación de baja tensión.
La tecnología de diodos Schottky encuentra una amplia aplicación en circuitos informáticos de alta velocidad, donde el tiempo de conmutación rápido equivale a la capacidad de alta velocidad, y la baja caída de voltaje directo equivale a menos disipación de energía al conducir.
Las fuentes de alimentación del regulador de conmutación que funcionan a 100 kHz no pueden usar diodos de silicio convencionales como rectificadores debido a su lenta velocidad de conmutación. Cuando la señal aplicada a un diodo cambia de polarización directa a inversa, la conducción continúa por un corto tiempo, mientras que las portadoras están siendo barridas fuera de la región de agotamiento. La conducción solo cesa después de que este t r tiempo de recuperación inversa haya expirado. Los diodos Schottky tienen un tiempo de recuperación inversa más corto.
Independientemente de la velocidad de conmutación, la caída de voltaje directo de 0.7 V de los diodos de silicio causa una baja eficiencia en las fuentes de bajo voltaje. Esto no es un problema en, digamos, un suministro de 10 V. En un suministro de 1 V la caída de 0.7 V es una porción sustancial de la salida. Una solución es usar un diodo de potencia schottky que tenga una caída hacia adelante más baja.
Diodos de túnel
Los diodos de túnel explotan un extraño fenómeno cuántico llamado túnel resonante para proporcionar características de polarización directa de resistencia negativa. Cuando se aplica un pequeño voltaje de polarización directa a través de un diodo de túnel, comienza a conducir corriente. (Figura abajo (b)) A medida que aumenta la tensión, la corriente aumenta y alcanza un valor pico denominado corriente pico (I P). Si el voltaje se incrementa un poco más, la corriente en realidad comienza a disminuir hasta que alcanza un punto bajo llamado la corriente valle (I V). Si el voltaje se incrementa aún más, la corriente comienza a aumentar de nuevo, esta vez sin disminuir en otro “valle”. El símbolo esquemático para el diodo túnel que se muestra en la Figura a continuación (a).
Diodo túnel (a) Símbolo esquemático. (b) Gráfica de corriente vs voltaje (c) Oscilador.
Los voltajes directos necesarios para conducir un diodo túnel a sus corrientes pico y valle se conocen como voltaje pico (V P) y voltaje valle (V V), respectivamente. La región en la gráfica donde la corriente disminuye mientras que el voltaje aplicado está aumentando (entre V P y V V en la escala horizontal) se conoce como la región de resistencia negativa.
Los diodos de túnel, también conocidos como diodos Esaki en honor a su inventor japonés Leo Esaki, son capaces de hacer una transición entre los niveles de corriente pico y valle muy rápidamente, “cambiando” entre estados de conducción alto y bajo mucho más rápido que incluso los diodos Schottky. Las características de los diodos de túnel tampoco se ven relativamente afectadas por los cambios de temperatura.
Voltaje de ruptura inverso versus nivel de dopaje. Después de Sze [SGG]
Los diodos de túnel están fuertemente dopados tanto en las regiones P como en N, 1000 veces el nivel en un rectificador. Esto se puede ver en la Figura anterior. Los diodos estándar están al extremo izquierdo, los diodos zener cerca de la izquierda y los diodos de túnel a la derecha de la línea discontinua. El dopaje pesado produce una región de agotamiento inusualmente delgada. Esto produce un voltaje de ruptura inversa inusualmente bajo con alta fuga. La región de agotamiento delgada provoca una alta capacitancia. Para superar esto, el área de unión del diodo túnel debe ser pequeña. La característica de diodo directo consta de dos regiones: una característica de diodo directo normal con corriente que aumenta exponencialmente más allá de V F, 0.3 V para Ge, 0.7 V para Si. Entre 0 V y V F hay un pico característico de “resistencia negativa” adicional. Esto se debe a la tunelización mecánica cuántica que involucra la naturaleza de onda de partículas duales de los electrones. La región de agotamiento es lo suficientemente delgada en comparación con la longitud de onda equivalente del electrón que pueden atravesar. No tienen que superar la tensión normal del diodo directo V F. El nivel de energía de la banda de conducción del material tipo N se superpone al nivel de la banda de valencia en la región tipo P. Al aumentar el voltaje, comienza la tunelización; los niveles se superponen; la corriente aumenta, hasta un punto. A medida que la corriente aumenta más, los niveles de energía se superponen menos; la corriente disminuye al aumentar el voltaje Esta es la porción de “resistencia negativa” de la curva.
Los diodos de túnel no son buenos rectificadores, ya que tienen una corriente de “fuga” relativamente alta cuando tienen polarización inversa. En consecuencia, encuentran aplicación sólo en circuitos especiales donde su efecto túnel único tiene valor. Para explotar el efecto túnel, estos diodos se mantienen a una tensión de polarización en algún lugar entre los niveles de voltaje pico y valle, siempre en una polaridad polarizada hacia delante (ánodo positivo y cátodo negativo).
Quizás la aplicación más común de un diodo túnel es en simples circuitos osciladores de alta frecuencia como en la Figura anterior (c), donde permite que una fuente de voltaje de CC aporte energía a un circuito LC “tanque”, el diodo conduce cuando el voltaje a través de él alcanza el nivel pico (túnel) y efectivamente aislando en todos los demás voltajes. Las resistencias polarizan el diodo túnel a unas décimas de voltio centradas en la porción de resistencia negativa de la curva característica. El circuito resonante L-C puede ser una sección de una guía de ondas para el funcionamiento de microondas. Oscilación a 5 GHz es posible.
En un momento el diodo túnel era el único amplificador de microondas de estado sólido disponible. Los diodos de túnel fueron populares a partir de la década de 1960; tenían una vida más larga que los amplificadores de tubo de onda viajera, una consideración importante en los transmisores satelitales. Los diodos de túnel también son resistentes a la radiación debido al fuerte dopaje. Hoy en día diversos transistores operan a frecuencias de microondas. Incluso los diodos de túnel de señal pequeños son caros y difíciles de encontrar hoy en día. Hay un fabricante restante de diodos de túnel de germanio, y ninguno para dispositivos de silicio. A veces se utilizan en equipo militar porque son insensibles a la radiación y a los grandes cambios de temperatura.
Se han realizado algunas investigaciones que involucran la posible integración de diodos de túnel de silicio en circuitos integrados CMOS. Se piensa que son capaces de conmutar a 100 GHz en circuitos digitales. El único fabricante de dispositivos de germanio los produce uno a la vez. Se debe desarrollar un proceso por lotes para diodos de túnel de silicio, luego integrarse con procesos CMOS convencionales. [SZL]
El diodo túnel Esaki no debe confundirse con el diodo de túnel resonante CH 2, de construcción más compleja a partir de semiconductores compuestos. El RTD es un desarrollo más reciente capaz de mayor velocidad.
Diodos emisores de luz
Los diodos, como todos los dispositivos semiconductores, se rigen por los principios descritos en la física cuántica. Uno de estos principios es la emisión de energía radiante de frecuencia específica cada vez que los electrones caen de un nivel de energía más alto a un nivel de energía más bajo. Este es el mismo principio que se trabaja en una lámpara de neón, el característico resplandor rosa-naranja del neón ionizado debido a las transiciones energéticas específicas de sus electrones en medio de una corriente eléctrica. El color único del resplandor de una lámpara de neón se debe a que su gas neón está dentro del tubo, y no por la cantidad particular de corriente a través del tubo o voltaje entre los dos electrodos. El gas neón brilla de color naranja rosado en una amplia gama de voltajes y corrientes ionizantes. Cada elemento químico tiene su propia emisión “característica” de energía radiante cuando sus electrones “saltan” entre diferentes niveles de energía cuantificados. El gas hidrógeno, por ejemplo, brilla de color rojo cuando se ioniza; el vapor de mercurio brilla de color azul. Esto es lo que hace posible la identificación espectrográfica de los elementos.
Los electrones que fluyen a través de una unión PN experimentan transiciones similares en el nivel de energía y emiten energía radiante a medida que lo hacen. La frecuencia de esta energía radiante está determinada por la estructura cristalina del material semiconductor, y los elementos que lo componen. Algunas uniones semiconductoras, compuestas por combinaciones químicas especiales, emiten energía radiante dentro del espectro de luz visible a medida que los electrones cambian los niveles de energía. En pocas palabras, estas uniones brillan cuando están sesgadas hacia adelante. Un diodo diseñado intencionalmente para brillar como una lámpara se llama diodo emisor de luz o LED.
Los diodos de silicio polarizados hacia adelante emiten calor como electrones y agujeros de las regiones tipo N y tipo P, respectivamente, se recombinan en la unión. En un LED con polarización directa, la recombinación de electrones y agujeros en la región activa en la Figura (c) debajo de (c) produce fotones. Este proceso se conoce como electroluminiscencia. Para emitir fotones, la barrera potencial a través de la cual caen los electrones debe ser mayor que para un diodo de silicio. La caída de diodo directo puede variar a unos pocos voltios para algunos LED de color.
Los diodos hechos de una combinación de los elementos galio, arsénico y fósforo (llamados galio-arsenido-fosfuro) brillan en rojo brillante, y son algunos de los LED más comunes fabricados. Al alterar la circunscripción química de la unión PN, se pueden obtener diferentes colores. Las primeras generaciones de ledes fueron rojo, verde, amarillo, naranja e infrarrojo, las generaciones posteriores incluyeron azul y ultravioleta, siendo el violeta el último color agregado a la selección. Se pueden obtener otros colores combinando dos o más LEDs de color primario (rojo, verde y azul) juntos en el mismo paquete, compartiendo la misma lente óptica. Esto permitió LED multicolores, como los LED tricolores (disponibles comercialmente en la década de 1980) usando rojo y verde (lo que puede crear amarillo) y posteriormente LED RGB (rojo, verde y azul), que cubren todo el espectro de colores.
El símbolo esquemático de un LED es una forma de diodo regular dentro de un círculo, con dos pequeñas flechas apuntando hacia fuera (indicando la luz emitida), que se muestra en la Figura (a) a continuación.
LED, diodo emisor de luz: (a) símbolo esquemático. (b) El lado plano y el cable corto del dispositivo corresponden al cátodo, así como la disposición interna del cátodo. (c) Sección transversal de matriz Led.
Esta notación de tener dos pequeñas flechas apuntando lejos del dispositivo es común a los símbolos esquemáticos de todos los dispositivos semiconductores emisores de luz. Por el contrario, si un dispositivo está activado por la luz (es decir, que la luz entrante lo estimula), entonces el símbolo tendrá dos pequeñas flechas apuntando hacia él. Los LEDs pueden detectar la luz. Generan una pequeña tensión cuando se exponen a la luz, al igual que una célula solar a pequeña escala. Esta propiedad se puede aplicar de manera lucrativa en una variedad de circuitos de detección de luz.
Debido a que los LED están hechos de diferentes sustancias químicas que los diodos de silicio, sus caídas de voltaje directo serán diferentes. Por lo general, los LED tienen caídas de voltaje directo mucho más grandes que los diodos rectificadores, en cualquier lugar desde aproximadamente 1.6 voltios hasta más de 3 voltios, dependiendo del color. La corriente de funcionamiento típica para un LED de tamaño estándar es de alrededor de 20 mA. Cuando se opera un LED desde una fuente de voltaje de CC mayor que el voltaje directo del LED, se debe incluir una resistencia de “caída” conectada en serie para evitar que el voltaje completo de la fuente dañe el LED. Considere el circuito de ejemplo en la Figura (a) a continuación (a) usando una fuente de 6 V.
Ajuste de la corriente del LED a 20 ma. a) para una fuente de 6 V, b) para una fuente de 24 V.
Con el LED cayendo 1.6 voltios, habrá 4.4 voltios caídos a través de la resistencia. Dimensionar la resistencia para una corriente LED de 20 mA es tan simple como tomar su caída de voltaje (4.4 voltios) y dividir por corriente de circuito (20 mA), de acuerdo con la Ley de Ohm (R=E/I). Esto nos da una cifra de 220 Ω. Calculando la disipación de potencia para esta resistencia, tomamos su caída de voltaje y multiplicamos por su corriente (P=IE), y terminamos con 88 mW, bien dentro de la clasificación de una resistencia de 1/8 vatios. Los voltajes más altos de la batería requerirán resistencias de caída de mayor valor y, posiblemente, resistencias de mayor potencia nominal también. Considere el ejemplo de la Figura (b) anterior para una tensión de alimentación de 24 voltios:
Aquí, la resistencia de caída debe aumentarse a un tamaño de 1.12 kΩ para bajar 22.4 voltios a 20 mA para que el LED siga recibiendo solo 1.6 voltios. Esto también hace que la disipación de potencia de resistencia sea más alta: 448 mW, ¡casi medio vatio de potencia! Obviamente, una resistencia nominal para una disipación de potencia de 1/8 vatios o incluso una disipación de 1/4 vatios se sobrecalentará si se usa aquí.
Los valores de resistencia de caída no necesitan ser precisos para los circuitos LED. Supongamos que íbamos a usar una resistencia de 1 kΩ en lugar de una resistencia de 1.12 kΩ en el circuito que se muestra arriba. El resultado sería una corriente de circuito ligeramente mayor y caída de voltaje del LED, resultando en una luz más brillante del LED y una vida útil ligeramente reducida. Una resistencia de caída con demasiada resistencia (digamos, 1.5 kΩ en lugar de 1.12 kΩ) dará como resultado menos corriente de circuito, menos voltaje LED y una luz atenuadora. Los LED son bastante tolerantes a la variación en la potencia aplicada, por lo que no necesita esforzarse por lograr la perfección al dimensionar la resistencia de caída.
A veces se requieren múltiples LEDs, digamos en iluminación. Si los LED se operan en paralelo, cada uno debe tener su propia resistencia limitadora de corriente como en la Figura (a) a continuación para asegurar que las corrientes se dividan de manera más equitativa Sin embargo, es más eficiente operar LEDs en serie (Figura (b) a continuación con una sola resistencia de caída. A medida que aumenta el número de LEDs en serie, el valor de la resistencia en serie debe disminuir para mantener la corriente, hasta cierto punto. El número de LEDs en serie (V f) no puede exceder la capacidad de la fuente de alimentación. Se pueden emplear múltiples cadenas de series como en la Figura (c) a continuación.
A pesar de igualar las corrientes en múltiples LEDs, el brillo de los dispositivos puede no coincidir debido a variaciones en las partes individuales. Las piezas se pueden seleccionar para igualar el brillo para aplicaciones críticas.
LEDs múltiples: (a) En paralelo, (b) en serie, (c) serie-paralelo
También debido a su composición química única, los LED tienen clasificaciones de voltaje pico inverso (PIV) mucho más bajas que los diodos rectificadores ordinarios. Un LED típico solo puede tener una clasificación de 5 voltios en modo de polarización inversa. Por lo tanto, al usar corriente alterna para alimentar un LED, conecte un diodo rectificador protector antiparalelo con el LED para evitar averías inversas cada dos semiciclos como en la Figura (a) a continuación.
Conducción de un LED con CA
El diodo antiparalelo de la Figura (a) anterior puede ser reemplazado por un LED antiparalelo. El par resultante de LED antiparalelos se iluminan en semiciclos alternos de la onda sinusoidal de CA. Esta configuración dibuja 20 ma, dividiéndola por igual entre los LED en semiciclos alternantes de CA. Cada LED solo recibe 10 mA debido a esta compartición. Lo mismo ocurre con la combinación LED antiparalela con un rectificador. El LED solo recibe 10 ma. Si se requiriera 20 mA para los LED, el valor de la resistencia podría dividirse a la mitad.
La caída de voltaje directo de los LED es inversamente proporcional a la longitud de onda (λ). A medida que disminuye la longitud de onda pasando de colores infrarrojos a visibles a ultravioleta, V f aumenta. Si bien esta tendencia es más obvia en los diversos dispositivos de un solo fabricante, El rango de voltaje para un LED de color particular de varios fabricantes varía. Este rango de voltajes se muestra en la Tabla siguiente.
Como lámparas, los LED son superiores a las bombillas incandescentes de muchas maneras. Lo primero y más importante es la eficiencia: los LED emiten mucha más potencia de luz por vatio de entrada eléctrica que una lámpara incandescente. Esta es una ventaja significativa si el circuito en cuestión funciona con baterías, lo que la eficiencia se traduce en una mayor duración de la batería. En segundo lugar, el hecho de que los LEDs son mucho más confiables, teniendo una vida útil mucho mayor que las lámparas incandescentes. Esto se debe a que los LEDs son dispositivos “fríos”: funcionan a temperaturas mucho más frías que una lámpara incandescente con un filamento metálico candente, susceptible a la rotura por choque mecánico y térmico. Tercero es la alta velocidad a la que se pueden encender y apagar los LED. Esta ventaja también se debe al funcionamiento “frío” de los LEDs: no tienen que superar la inercia térmica en la transición de apagado a encendido o viceversa. Por esta razón, los LED se utilizan para transmitir información digital (encendido/apagado) como pulsos de luz, conducidos en espacios vacíos o a través de cable de fibra óptica, a velocidades muy altas (millones de pulsos por segundo).
Los LEDs sobresalen en aplicaciones de iluminación monocromática como señales de tráfico y luces traseras automotrices. Los incandescentes son abismales en esta aplicación ya que requieren filtrado, disminuyendo la eficiencia. Los LEDs no requieren filtrado.
Una de las principales desventajas de usar ledes como fuentes de iluminación es su emisión monocromática (de un solo color). Nadie quiere leer un libro bajo la luz de un LED rojo, verde o azul. Sin embargo, si se usa en combinación, los colores de los LED se pueden mezclar para obtener un brillo de espectro más amplio. Una nueva fuente de luz de amplio espectro es el LED blanco. Si bien los indicadores de panel blanco pequeños han estado disponibles durante muchos años, los dispositivos de grado de iluminación aún están en desarrollo.
Un LED blanco es un LED azul que excita un fósforo que emite luz amarilla. El azul más el amarillo se aproximan a la luz blanca. La naturaleza del fósforo determina las características de la luz. Se puede agregar un fósforo rojo para mejorar la calidad de la mezcla amarillo más azul a expensas de la eficiencia. La tabla anterior compara los LED de iluminación blancos con los futuros dispositivos esperados y otras lámparas convencionales. La eficiencia se mide en lúmenes de salida de luz por vatio de potencia de entrada. Si el dispositivo de 50 lúmenes/vatio se puede mejorar a 100 lúmenes/vatio, los LED blancos serán comparables a las lámparas fluorescentes compactas en eficiencia.
Los LED en general han sido un tema importante de I+D desde la década de 1960, por lo que no es práctico cubrir todas las geometrías, químicas y características que se han creado a lo largo de las décadas. Los primeros dispositivos eran relativamente tenues y tomaban corrientes moderadas. Las eficiencias se han mejorado en generaciones posteriores hasta el punto de que es peligroso mirar de cerca y directamente en un LED iluminado. Esto puede resultar en daño ocular, y los LED solo requirieron un aumento menor en la caída de voltaje (Vf) y corriente. Los dispositivos modernos de alta intensidad han alcanzado los 180 lúmenes utilizando 0.7 Amperios (82 lúmenes/vatio, serie Luxeon Rebel blanco frío), e incluso los modelos de mayor intensidad pueden usar corrientes aún más altas con un aumento correspondiente en el brillo. Otros desarrollos, como los puntos cuánticos, son objeto de investigaciones actuales, por lo que esperan ver cosas nuevas para estos dispositivos en el futuro.
Diodos láser
El diodo láser es un desarrollo adicional sobre el diodo emisor de luz regular, o LED. El término “láser” en sí es en realidad un acrónimo, a pesar de que a menudo está escrito en letras minúsculas. “Láser” significa L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation, y se refiere a otro extraño proceso cuántico mediante el cual la luz característica emitida por electrones cayendo de estados energéticos de alto nivel a bajo nivel en un material estimulan a otros electrones en una sustancia para hacer “saltos” similares, siendo el resultado una salida sincronizada de luz del material. Esta sincronización se extiende a la fase real de la luz emitida, de manera que todas las ondas de luz emitidas desde un material “láser” no son solo la misma frecuencia (color), sino también la misma fase entre sí, de manera que se refuerzan entre sí y son capaces de viajar en una muy confinada, haz no dispersante. Esta es la razón por la que la luz láser se mantiene tan notablemente enfocada a largas distancias: todas y cada una de las ondas de luz que provienen del láser están en sintonía entre sí.
(a) Luz blanca de muchas longitudes de onda. (b) Luz LED monocromática, una sola longitud de onda. c) Luz láser coherente de fase.
Las lámparas incandescentes producen luz “blanca” (frecuencia mixta o color mixto) como en la Figura anterior (a). Los LEDs regulares producen luz monocromática: misma frecuencia (color), pero diferentes fases, dando como resultado una dispersión de haz similar en la Figura anterior (b). Los LEDs láser producen luz coherente: luz que es tanto monocromática (monocolor) como monofásica (monofásica), dando como resultado un confinamiento preciso del haz como en la Figura anterior (c).
La luz láser encuentra una amplia aplicación en el mundo moderno: desde la topografía, donde un haz de luz recto y no dispersante es muy útil para el avistamiento preciso de marcadores de medición, hasta la lectura y escritura de discos ópticos, donde solo la estrechez de un rayo láser enfocado es capaz de resolver el “pozos” microscópicos en la superficie del disco que comprenden los binarios 1 y 0 de información digital.
Algunos diodos láser requieren circuitos especiales de “pulsación” de alta potencia para entregar grandes cantidades de voltaje y corriente en ráfagas cortas. Otros diodos láser pueden operarse continuamente a menor potencia. En el láser continuo, la acción del láser ocurre solo dentro de un cierto rango de corriente de diodo, lo que requiere alguna forma de circuito regulador de corriente. A medida que los diodos láser envejecen, sus requisitos de potencia pueden cambiar (se requiere más corriente para menos potencia de salida), pero debe recordarse que los diodos láser de baja potencia, como los LED, son dispositivos bastante duraderos, con vidas de servicio típicas en las decenas de miles de horas.
Fotodiodos
Un fotodiodo es un diodo optimizado para producir un flujo de corriente electrónica en respuesta a la irradiación por luz ultravioleta, visible o infrarroja. El silicio se usa con mayor frecuencia para fabricar fotodiodos; sin embargo, se puede usar germanio y arseniuro de galio. La unión a través de la cual la luz ingresa al semiconductor debe ser lo suficientemente delgada como para pasar la mayor parte de la luz a la región activa (región de agotamiento) donde la luz se convierte en pares de agujeros de electrones.
En la Figura siguiente, una difusión poco profunda de tipo P en una oblea de tipo N produce una unión PN cerca de la superficie de la oblea. La capa tipo P necesita ser delgada para pasar la mayor cantidad de luz posible. Una fuerte difusión de N+ en la parte posterior de la oblea hace contacto con la metalización. La metalización superior puede ser una rejilla fina de dedos metálicos en la parte superior de la oblea para celdas grandes. En fotodiodos pequeños, el contacto superior puede ser un único cable de unión que entra en contacto con la parte superior de silicio de tipo P desnuda.
Fotodiodo: Símbolo esquemático y sección transversal.
La intensidad de la luz que entra en la parte superior de la pila de fotodiodos cae exponencialmente en función de la profundidad. Una capa superior delgada de tipo P permite que la mayoría de los fotones pasen a la región de agotamiento donde se forman los pares electrón-agujero. El campo eléctrico a través de la región de agotamiento debido al potencial de diodo incorporado hace que los electrones sean barridos en la capa N, agujeros en la capa P. En realidad, se pueden formar pares electrón-hueco en cualquiera de las regiones semiconductoras. Sin embargo, los formados en la región de agotamiento tienen más probabilidades de separarse en las respectivas regiones N y P. Muchos de los pares electrón-hueco formados en las regiones P y N se recombinan. Sólo unos pocos lo hacen en la región de agotamiento. Así, unos pocos pares electrón-hueco en las regiones N y P, y la mayoría en la región de agotamiento contribuyen a la fotocorriente, esa corriente resultante de la luz que cae sobre el fotodiodo.
Se puede observar el voltaje de salida de un fotodiodo. El funcionamiento en este modo fotovoltaico (PV) no es lineal en un amplio rango dinámico, aunque es sensible y tiene bajo ruido a frecuencias menores a 100 kHz. El modo de operación preferido es a menudo el modo de fotocorriente (PC) porque la corriente es linealmente proporcional al flujo de luz durante varias décadas de intensidad, y se puede lograr una respuesta de frecuencia más alta. El modo PC se logra con polarización inversa o polarización cero en el fotodiodo. Se debe usar un amplificador de corriente (amplificador de transimpedancia) con un fotodiodo en modo PC. La linealidad y el modo PC se logran siempre y cuando el diodo no se polarice hacia adelante.
A menudo se requiere un funcionamiento a alta velocidad de los fotodiodos, a diferencia de las células solares. La velocidad es una función de la capacitancia del diodo, que se puede minimizar al disminuir el área de la celda. De esta manera, un sensor para un enlace de fibra óptica de alta velocidad utilizará un área no mayor de lo necesario, digamos 1 mm 2. La capacitancia también se puede disminuir aumentando el grosor de la región de agotamiento, en el proceso de fabricación o aumentando la polarización inversa en el diodo.
Diodo PIN El diodo p-i-n o diodo PIN es un fotodiodo con una capa intrínseca entre las regiones P y N como se muestra en la Figura siguiente. La estructura P - I ntrínseca- N aumenta la distancia entre las capas conductoras P y N, disminuyendo la capacitancia, aumentando la velocidad. El volumen de la región fotosensible también aumenta, mejorando la eficiencia de conversión. El ancho de banda puede extenderse a 10 de GHz. Los fotodiodos PIN son los preferidos para alta sensibilidad y alta velocidad a costo moderado.
Fotodiodo PIN: La región intrínseca aumenta el grosor de la región de agotamiento.
Fotodiodo de avalancha: Un fotodiodo de avalancha (APD) diseñado para operar a alta polarización inversa exhibe un efecto multiplicador de electrones análogo a un tubo fotomultiplicador. La polarización inversa puede correr de 10 voltios a casi 2000 V. El alto nivel de polarización inversa acelera los pares de electrones creados por fotones en la región intrínseca a una velocidad lo suficientemente alta como para liberar portadores adicionales de colisiones con la red cristalina. Así, resultan muchos electrones por fotón. La motivación para el APD es lograr la amplificación dentro del fotodiodo para superar el ruido en amplificadores externos. Esto funciona hasta cierto punto. Sin embargo, el APD crea ruido propio. A alta velocidad, el APD es superior a una combinación de amplificador de diodo PIN, aunque no para aplicaciones de baja velocidad. Los APD son caros, aproximadamente el precio de un tubo fotomultiplicador. Entonces, solo son competitivos con fotodiodos PIN para aplicaciones de nicho. Una de esas aplicaciones es el conteo de fotones individuales aplicado a la física nuclear.
Células solares
Un fotodiodo optimizado para suministrar energía de manera eficiente a una carga es la célula solar. Funciona en modo fotovoltaico (PV) porque está polarizado hacia delante por el voltaje desarrollado a través de la resistencia de carga.
Las células solares monocristalinas se fabrican en un proceso similar al procesamiento de semiconductores. Esto implica cultivar una bola de cristal único a partir de silicio fundido de alta pureza (tipo P), aunque no tan alta pureza como para los semiconductores. El boule es aserrado de diamante o alambre aserrado en obleas. Los extremos de la bola deben desecharse o reciclarse, y el silicio se pierde en el corte de la sierra. Dado que las celdas modernas son casi cuadradas, el silicio se pierde al cuadrar la bola. Las células pueden grabarse para texturizar (rugosa) la superficie para ayudar a atrapar la luz dentro de la celda. Se pierde silicio considerable en la producción de las obleas cuadradas de 10 o 15 cm. En estos días (2007) es común que el fabricante de células solares compre las obleas en esta etapa de un proveedor a la industria de semiconductores.
Las obleas tipo P se cargan consecutivamente en botes de sílice fundida exponiendo solo la superficie exterior al dopante de tipo N en el horno de difusión. El proceso de difusión forma una fina capa tipo n en la parte superior de la celda. La difusión también corta los bordes de la celda de adelante hacia atrás. La periferia debe ser removida por grabado plasmático para detectar el cortocircuito de la célula. La pasta de plata y/o aluminio se tamiza en la parte posterior de la celda, y una rejilla plateada en la parte delantera. Estos se sinterizan en un horno para un buen contacto eléctrico. (Figura abajo)
Las celdas están cableadas en serie con cintas metálicas. Para cargar baterías de 12 V, 36 celdas a aproximadamente 0.5 V están laminadas al vacío entre el vidrio y una parte posterior de metal polimérico. El vidrio puede tener una superficie texturizada para ayudar a atrapar la luz.
Célula solar de silicio
Las células solares de silicio monocristalino de alta eficiencia comercial (21.5%) tienen todos los contactos en la parte posterior de la celda. El área activa de la celda se incrementa moviendo los conductores de contacto superiores (-) hacia la parte posterior de la celda. Los contactos superiores (-) se hacen normalmente al silicio de tipo N en la parte superior de la celda. En la Figura a continuación los contactos (-) se realizan a N + difusiones en la parte inferior intercaladas con contactos (+). La superficie superior está texturizada para ayudar a capturar la luz dentro de la celda.
Célula solar de alta eficiencia con todos los contactos en la parte posterior. Adaptado de la Figura 1
Las celdas de silicio multicristalinas comienzan como silicio fundido fundido en un molde rectangular. A medida que el silicio se enfría, cristaliza en unos pocos cristales grandes (mm a cm de tamaño) orientados aleatoriamente en lugar de uno solo. El resto del proceso es el mismo que para las células monocristalinas. Las celdas terminadas muestran líneas que dividen los cristales individuales, como si las células estuvieran agrietadas. La alta eficiencia no es tan alta como la de las células monocristalinas debido a las pérdidas en los límites de los granos cristalinos. La superficie celular no puede ser rugosa por ataque químico debido a la orientación aleatoria de los cristales. Sin embargo, un recubrimiento antirreflectrive mejora la eficiencia. Estas celdas son competitivas para todas las aplicaciones menos espaciales.
Celda de tres capas: La celda solar de mayor eficiencia es una pila de tres celdas sintonizadas para absorber diferentes porciones del espectro solar. Aunque tres celdas se pueden apilar una encima de la otra, una estructura monolítica monocristalina de 20 capas semiconductoras es más compacta. Con una eficiencia del 32%, ahora es (2007) favorecido sobre el silicio para aplicaciones espaciales. El alto costo le impide encontrar muchas aplicaciones de tierra que no sean concentradores basados en lentes o espejos.
Investigaciones intensivas han producido recientemente una versión mejorada para concentradores terrestres con 400 - 1000 soles y 40.7% de eficiencia. Esto requiere una lente Fresnel o reflector grande y económico y una pequeña área del costoso semiconductor. Se cree que esta combinación es competitiva con celdas de silicio económicas para plantas de energía solar. [RRK] [LZy]
La deposición de vapor químico orgánico metálico (MOCVD) deposita las capas sobre un sustrato de germanio tipo P. Las capas superiores de fosfuro de galio indio tipo N y P (GaInP) con una banda prohibida de 1.85 eV, absorben luz ultravioleta y visible. Estas longitudes de onda tienen suficiente energía para superar la brecha de banda. Las longitudes de onda más largas (energía más baja) no tienen suficiente energía para crear pares electrón-agujero, y pasan a través de la siguiente capa. Una capa de arseniuro de galio que tiene una banda prohibida de 1.42 eV, absorbe la luz infrarroja cercana. Finalmente, la capa de germanio y el sustrato absorben el infrarrojo lejano. La serie de tres celdas produce un voltaje que es la suma de los voltajes de las tres celdas. El voltaje desarrollado por cada material es 0.4 V menos que la energía de banda prohibida listada en la Tabla siguiente. Por ejemplo, para GainP: 1.8 EV/e - 0.4 V = 1.4 V. Para los tres el voltaje es 1.4 V + 1.0 V + 0.3 V = 2.7 V.
Las matrices de células solares cristalinas tienen una larga vida útil. Muchos arreglos están garantizados por 25 años y se cree que son buenos por 40 años. No sufren degradación inicial en comparación con el silicio amorfo.
Tanto las células solares simples como multicristalinas se basan en obleas de silicio. El silicio es tanto el sustrato como las capas activas del dispositivo. Se consume mucho silicio. Este tipo de célula ha existido por décadas, y ocupa aproximadamente el 86% del mercado de la energía solar eléctrica. Para más información sobre las células solares cristalinas ver Honsberg. [CHS]
Las células solares de película delgada de silicio amorfo utilizan pequeñas cantidades de la materia prima activa, el silicio. Aproximadamente la mitad del costo de las células solares cristalinas convencionales es el silicio de grado de célula solar. El proceso de deposición de película delgada reduce este costo. La desventaja es que la eficiencia es aproximadamente la mitad de la de las células cristalinas convencionales. Además, la eficiencia se degrada en 15-35% tras la exposición a la luz solar. Una célula eficiente del 7% pronto envejece al 5% de eficiencia. Las celdas de silicio amorfo de película delgada funcionan mejor que las células cristalinas en luz tenue. Se ponen a buen uso en las calculadoras con energía solar.
Las células solares no basadas en silicio constituyen alrededor del 7% del mercado. Se trata de productos policristalinos de película delgada. Diversos semiconductores compuestos son objeto de investigación y desarrollo. Algunos productos que no son de silicio están en producción. Generalmente, la eficiencia es mejor que el silicio amorfo, pero no tan bueno como el silicio cristalino.
El telururo de cadmio como película delgada policristalina sobre metal o vidrio puede tener una mayor eficiencia que las películas delgadas de silicio amorfo. Si se deposita sobre metal, esa capa es el contacto negativo con la película delgada de telururo de cadmio. El sulfuro de cadmio transparente tipo P encima del telururo de cadmio sirve como capa amortiguadora. El contacto superior positivo es transparente, eléctricamente conductor dopado con flúor óxido de estaño. Estas capas se pueden colocar sobre una lámina de sacrificio en lugar del vidrio en el proceso en el siguiente pargraph. La lámina de sacrificio se retira después de que la celda se monta en un sustrato permanente.
Celda solar de telururo de cadmio sobre vidrio o metal.
Un proceso para depositar telururo de cadmio sobre vidrio comienza con la deposición de óxido de estaño transparente de tipo N, eléctricamente conducente, sobre un sustrato de vidrio. La siguiente capa es telururo de cadmio tipo P; sin embargo, se puede usar tipo N o intrínseco. Estas dos capas constituyen la unión NP. Una capa P + (tipo P pesado) de telururo de plomo ayuda a establecer un contacto de baja resistencia. Una capa metálica hace el contacto final con el telururo de plomo. Estas capas pueden depositarse mediante deposición al vacío, deposición química de vapor (CVD), serigrafía, electrodeposición o deposición química de vapor a presión atmosférica (APCVD) en helio. [KWM]
Una variación del telururo de cadmio es el telururo de mercurio cadmio. Tener menor resistencia a la masa y menor resistencia al contacto mejora la eficiencia sobre el telururo de cadmio.
Cadmio Indio Galio Diseleniuro Célula solar (CIGS)
Cadmio Indio Galio Diseleniuro: Una célula solar de película delgada más prometedora en este momento (2007) se fabrica en un rollo de diez pulgadas de ancho de poliimida flexible— Cadmio Indio Galio DiSelenide (CIGS). Tiene una eficiencia espectacular del 10%. Aunque las células de silicio cristalino de grado comercial superaron esto hace décadas, los CIGS deberían ser competitivos en costos. Los procesos de deposición están a una temperatura lo suficientemente baja como para usar un polímero de poliimida como sustrato en lugar de metal o vidrio. (Figura anterior) El CIGS se fabrica en un proceso rollo a rollo, lo que debería reducir los costos. Las celdas GIGS también se pueden producir mediante un proceso electroquímico inherentemente de bajo costo. [EET]
REVISIÓN:
- La mayoría de las células solares son de silicio monocristalino o multicristal debido a su buena eficiencia y costo moderado.
- Películas delgadas menos eficientes de diversos materiales amorfos o policristalinos comprenden el resto del mercado.
- La siguiente tabla compara las células solares seleccionadas.
Diodos varicap o varactores
Un diodo de capacitancia variable se conoce como diodo varicap o como varactor. Si un diodo tiene polarización inversa, se forma una región de agotamiento aislante entre las dos capas semiconductoras. En muchos diodos, el ancho de la región de agotamiento puede cambiarse variando la polarización inversa. Esto varía la capacitancia. Este efecto se acentúa en los diodos varicap. Los símbolos esquemáticos se muestran en la Figura a continuación, uno de los cuales está empaquetado como diodo dual de cátodo común.
Diodo Varicap: La capacitancia varía con la polarización inversa. Esto varía la frecuencia de una red resonante.
Si un diodo varicap es parte de un circuito resonante como en la Figura anterior, la frecuencia puede variarse con un voltaje de control, control V. Una gran capacitancia, bajo X c, en serie con el varicap evita que el control de V sea cortocircuitado por el inductor L. Siempre que el condensador en serie sea grande, tiene un efecto mínimo sobre la frecuencia del circuito resonante. C opcional se puede usar para establecer la frecuencia resonante central. El control V puede entonces variar la frecuencia sobre este punto. Tenga en cuenta que no se muestra la circuitería activa requerida para hacer oscilar la red resonante. Para ver un ejemplo de un receptor de radio AM sintonizado por diodo varicap, consulte “sintonización electrónica de diodos varicap”, Ch 9
Algunos diodos varicap pueden denominarse abruptos, hiperabruptos o súper abruptos. Estos se refieren al cambio en la capacitancia de unión con el cambio de polarización inversa como abrupto o hiperabrupto, o súper hiperabrupto. Estos diodos ofrecen un cambio relativamente grande en la capacitancia. Esto es útil cuando los osciladores o filtros son barridos en un amplio rango de frecuencias. Variando el sesgo de varicapas abruptas sobre los límites nominales, cambia la capacitancia en una relación 4:1, hiperabrupta en 10:1, súper hiperabrupta en 20:1.
Los diodos varactores se pueden usar en circuitos multiplicadores de frecuencia. Ver “Prácticos circuitos semiconductores analógicos”, multiplicador Varactor
Diodo Snap
El diodo rápido, también conocido como diodo de recuperación escalonada, está diseñado para su uso en multiplicadores de frecuencia de alta relación de hasta 20 GHz. Cuando el diodo está polarizado hacia delante, la carga se almacena en la unión PN. Esta carga se extrae ya que el diodo está polarizado de forma inversa. El diodo parece una fuente de corriente de baja impedancia durante la polarización directa. Cuando se aplica polarización inversa, todavía parece una fuente de baja impedancia hasta que se retira toda la carga. Luego se “ajusta” a un estado de alta impedancia provocando un impulso de voltaje, rico en armónicos. Una aplicación es un generador de peine, un generador de muchos armónicos. Los multiplicadores 2x y 4x de potencia moderada son otra aplicación.
Diodos PIN
Un diodo PIN es un diodo de conmutación rápido de baja capacitancia. No confunda un diodo de conmutación PIN con un fotodiodo PIN. Un diodo PIN se fabrica como un diodo de conmutación de silicio con una región intrínseca añadida entre las capas de unión PN. Esto produce una región de agotamiento más gruesa, la capa aislante en la unión de un diodo polarizado inverso. Esto da como resultado una capacitancia más baja que un diodo de conmutación polarizado inverso.
Diodo pin: Sección transversal alineada con símbolo esquemático.
Los diodos PIN se utilizan en lugar de los diodos de conmutación en aplicaciones de radiofrecuencia (RF), por ejemplo, un interruptor T/R. Se informa que el diodo de potencia de uso general 1n4007 1000 V, 1 A es utilizable como diodo de conmutación PIN. La clasificación de alto voltaje de este diodo se logra mediante la inclusión de una capa intrínseca que divide la unión PN. Esta capa intrínseca convierte al 1n4007 en un diodo PIN. Otra aplicación de diodo PIN es como el interruptor de antena aquí para un receptor buscador de dirección.
Los diodos PIN sirven como resistencias variables cuando se varía la polarización directa. Una de esas aplicaciones es el atenuador variable de voltaje. La característica de baja capacitancia de los diodos PIN, extiende la respuesta plana de frecuencia del atenuador a las frecuencias de microondas.
Diodo IMPATT
El diodo ImpACT Avalanche Transit Time es un generador de radiofrecuencia (RF) de alta potencia que opera de 3 a 100 GHz. Los diodos IMPATT se fabrican a partir de silicio, arseniuro de galio o carburo de silicio.
Un diodo IMPATT tiene polarización inversa por encima del voltaje de ruptura. Los altos niveles de dopaje producen una región de agotamiento delgada. El alto campo eléctrico resultante acelera rápidamente a los portadores que liberan a otros portadores en colisiones con la red cristalina. Los agujeros son barridos en la región P +. Los electrones se dirigen hacia las regiones N. El efecto en cascada crea una corriente de avalancha que aumenta incluso a medida que disminuye el voltaje a través de la unión. Los pulsos de corriente demoran el pico de voltaje a través de la unión. Un efecto de “resistencia negativa” junto con un circuito resonante produce oscilaciones a altos niveles de potencia (altos para semiconductores).
Diodo IMPATT: Circuito oscilador y capas P y N fuertemente dopadas.
El circuito resonante en el diagrama esquemático de la Figura anterior es el circuito agrupado equivalente a una sección de guía de ondas, donde se monta el diodo IMPATT. La polarización inversa de CC se aplica a través de un estrangulador que evita que la RF se pierda en la fuente de polarización. Esta puede ser una sección de guía de ondas conocida como Tee de polarización. Los transmisores RADAR de baja potencia pueden usar un diodo IMPATT como fuente de alimentación. Son demasiado ruidosos para su uso en el receptor. [YMCW]
Diodo Gunn
Diodo, gunn diodo Gunn
Un diodo gunn está compuesto únicamente por un semiconductor de tipo N. Como tal, no es un verdadero diodo. La siguiente figura muestra una capa N ligeramente dopada rodeada por capas N+ fuertemente dopadas. Un voltaje aplicado a través del diodo gunn de arseniuro de galio de tipo N crea un fuerte campo eléctrico a través de la capa N ligeramente dopada.
Diodo Gunn: Circuito oscilador y sección transversal de solo diodo semiconductor tipo N.
A medida que aumenta el voltaje, la conducción aumenta debido a los electrones en una banda de conducción de baja energía. A medida que el voltaje se incrementa más allá del umbral de aproximadamente 1 V, los electrones se mueven de la banda de conducción inferior a la banda de conducción de energía más alta donde ya no contribuyen a la conducción. En otras palabras, a medida que aumenta la tensión, disminuye la corriente, una condición de resistencia negativa. La frecuencia de oscilación está determinada por el tiempo de tránsito de los electrones de conducción, el cual está inversamente relacionado con el grosor de la capa N -.
La frecuencia puede controlarse hasta cierto punto incrustando el diodo gunn en un circuito resonante. El equivalente de circuito agrupado mostrado en la Figura anterior es en realidad una línea de transmisión coaxial o guía de ondas. Los diodos gunn de arseniuro de galio están disponibles para operar de 10 a 200 GHz a una potencia de 5 a 65 mw. Los diodos Gunn también pueden servir como amplificadores. [CHW] [IAP]
Diodo Shockley
El diodo Shockley es un tiristor de 4 capas que se utiliza para activar tiristores más grandes. Solo conduce en una dirección cuando se activa por un voltaje que excede el voltaje de ruptura, aproximadamente 20 V. Ver “Tiristores”, El diodo Shockley. La versión bidireccional se llama diac. Ver “Tiristores”, El DIAC.
Diodos de corriente constante
Un diodo de corriente constante, también conocido como diodo limitador de corriente, o diodo regulador de corriente, hace exactamente lo que su nombre implica: regula la corriente a través de él a algún nivel máximo. El diodo de corriente constante es una versión de dos terminales de un JFET. Si tratamos de forzar más corriente a través de un diodo de corriente constante que su punto de regulación de corriente, simplemente “contraataca” bajando más voltaje. Si tuviéramos que construir el circuito en la Figura a continuación (a) y trazar la corriente del diodo contra el voltaje del diodo, obtendríamos un gráfico que se eleva al principio y luego se nivela en el punto de regulación de corriente como en la Figura siguiente (b).
Diodo de corriente constante: (a) Circuito de prueba, (b) característica de corriente vs voltaje.
Una aplicación para un diodo de corriente constante es limitar automáticamente la corriente a través de un diodo LED o láser en una amplia gama de voltajes de fuente de alimentación como en la Figura siguiente.
Aplicación de diodo de corriente constante: diodo láser de conducción.
Por supuesto, el punto de regulación del diodo de corriente constante debe elegirse para que coincida con la corriente directa óptima del diodo LED o láser. Esto es especialmente importante para el diodo láser, no tanto para el LED, ya que los LEDs regulares tienden a ser más tolerantes con las variaciones de corriente directa.