REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA BOLIVARIANA NÚCLEO ARAGUA SEDE MARACAY
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIONES
ELECTRÓNICA I ASIGNACIÓN Diodos (ZENER, VARICAP Y TUNEL)
ECUACION DEL DIODO
El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor a William Bradford Shockley) que permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayoría de las aplicaciones. La ecuación que liga la intensidad de corriente y la diferencia de potencial es:
Donde:
I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo VD es la diferencia de tensión entre sus extremos. IS es la corriente de saturación (aproximadamente 10 − 12A) q es la carga del electrón cuyo valor es 1.6 * 10 − 19 T es la temperatura absoluta de la unión k es la constante de Boltzmann n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo y que suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio). silicio). El término V T = kT/q = T/11600 es la tensión debida a la temperatura, del orden de 26 mV mV a temperatura ambiente (300 K ó 27 °C). °C).
Con objeto de evitar el uso de exponenciales (a pesar de ser uno de los modelos más sencillos), en ocasiones se emplean modelos más simples aún, que modelan las zonas de funcionamiento del diodo por tramos rectos; son los llamados modelos de continua o de Ram-señal que se muestran en la figura. El más simple de todos (4) es el diodo ideal.
EL DIODO ZENER INTRODUCCION
El diodo Zener, que recibe este nombre por su inventor, el Dr. Clarence Melvin Zener, es un diodo de silicio que se ha construido para que funcione en las zonas de rupturas. Llamados a veces diodos de avalancha o de ruptura, el diodo zener es la parte esencial de los reguladores de tensión casi constantes con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensión de red, de la resistencia de carga y temperatura.
EFECTO ZENER
El efecto zener se basa en la aplicación de tensiones inversas que originan, debido a la característica constitución de los los mismos, fuertes campos eléctricos que causan la rotura de los enlaces entre los átomos dejando así electrones libres capaces de establecer la conducción. Su característica es tal que una vez alcanzado el valor de su tensión inversa nominal y superando la corriente a su través un determinado valor mínimo, la tensión en bornes del diodo se mantiene constante e independiente de la corriente que circula por él.
SIMBOLO DEL DIODO ZENER
DESCRIPCIÓN DEL DIODO ZENER
Un diodo zener es básicamente un diodo de unión, pero construido especialmente para trabajar en la zona de ruptura de la tensión de polarización inversa; por eso algunas veces se le conoce con el nombre de diodo de avalancha. El diodo zéner tiene la propiedadde mantener constante la tensión aplicada, aun cuando la corriente sufra cambios. Para que el diodo zener pueda realizar esta función, debe polarizarse de manera inversa. Generalmente, la tensión de polarización del diodo es mayor que la tensión de ruptura, Esta tensión de ruptura depende de las características de construcción del diodo, se fabrican desde 2 a 200 voltios; además, se coloca una resistencia limitadora en serie con él; de no ser así, conduciría de manera descontrolada hasta llegar al punto de su destrucción. En muchas aplicaciones de regulación de tensión, el diodo zéner
no es el dispositivo que controla de manera directa la tensión de salida de un circuito; sólo sirve de referencia para un circuito más complejo; es decir, el zéner mantiene un valor de tensión constante en sus terminales. Esta tensión se compara mediante un circuito amplificador a transistores o con circuito integrados con una tensión de salida. El resultado de la comparación permite definir la acción a efectuar: aumentar o disminuir la corriente de salida, a fin de mantener constante la tensión de salida. Es importante hacer notar que los diodos zéner se construyen especialmente para que controlen sólo un valor de tensión de salida; por eso es que se compran en términos de latensión de regulación (zéner de 12V x1 ampere, por ejemplo).
CURVA CARACTERÍSTICA DEL DIODO ZENER
Analizando la curva del diodo zener se ve que conforme se va aumentando negativamente el voltaje aplicado al diodo, la corriente que pasa por el aumenta muy poco. Pero una vez que se llega a un determinado voltaje, llamada voltaje o tensión de Zener (Vz), el aumento del voltaje (siempre negativamente) es muy pequeño, pudiendo considerarse constante. Para este voltaje, la corriente que atraviesa el diodo zener, puede variar en un gran rango de valores. A esta región se le llama la zona operativa. Esta es la característica del diodo zener que se aprovecha para que funcione como regulador de voltaje, pues el voltaje se mantiene prácticamente constante para una gran variación de corriente. Ver el gráfico.
OTROS PUNTOS
Tensiones de polarización inversa, conocida como tensión zener .- Es la tensión que el zener va a mantener constante. Coriente mínima de funcionamiento .- Si la corriente a través del zener es menor, no hay seguridad en que el Zener mantenga constante la tensión en sus bornas Potencia máxima de disipación . Puesto que la tensión es constante, nos indica el máximo valor de la corriente que puede soportar el Zener.
AMPLICACIÓN
Su principal aplicación es como regulador de tensión; es decir, como circuito que mantiene la tensión de salida casi constante, independientemente de las variaciones que se presenten en la línea de entrada o del consumo de corriente de las cargas conectadas en la salida del circuito. DIODO TUNEL INTRODUCCIÓN
En 1958, el físico japonés Esaki, descubrió que los diodos semiconductores obtenidos con un grado de contaminación del material básico mucho mas elevado que lo habitual exhiben una característica tensión-corriente muy particular. La corriente comienza por aumentar de modo casi proporcional a la tensión aplicada hasta alcanzar un valor máximo, denominado corriente de cresta. A partir de este punto, si se sigue aumentando la tensión aplicada, la corriente comienza a disminuir y lo siga haciendo hasta alcanzar un mínimo, llamado corriente de valle, desde el cual de nuevo aumenta. El nuevo crecimiento de la corriente es al principio lento, pero luego se hace cada vez mas rápido hasta llegar a destruir el diodo si no se lo limita de alguna manera. Este comportamiento particular de los diodos muy contaminados se debe a lo que los físicos denominan efecto túnel, del que no nos ocuparemos aquí debido a su complejidad. Para las aplicaciones prácticas del diodo túnel, la parte mas interesante de su curva característica es la comprendida entre la cresta y el valle. En esta parte de la curva a un aumento de la tensión aplicada corresponde una disminución de la corriente; en otros términos, la relación entre un incremento de la tensión y el incremento resultante de la corriente es negativa y se dice entonces que esta parte de la curva representa una “resistencia incremental negativa”. Una resistencia negativa puede
compensar total o parcialmente una resistencia positiva. Así, por ejemplo, las pérdidas que se producen en un circuito resonante a causa de la presencia siempre inevitable de cierta resistencia en el, se compensa asociando al circuito una resistencia negativa de valor numérico conveniente y realizada por ejemplo, mediante un diodo túnel. En tal caso el circuito oscilante se transforma en un oscilador.
EFECTO TUNEL
El efecto túnel es un fenómeno nanoscópico por el que una partícula viola los principios de la mecánica clásica penetrando una barrera potencial o impedancia mayor que la energía cinética de la propia partícula. Una barrera, en términos cuánticos aplicados al efecto túnel, se trata de una cualidad del estado energético de la materia análogo a una "colina" o pendiente clásica, compuesta por crestas y flancos alternos, que sugiere que el camino más corto de un móvil entre dos o más flancos debe atravesar su correspondiente cresta intermedia si dicho objeto no dispone de energía mecánica suficiente como para imponerse con la salvedad de atravesarlo. A escala cuántica, los objetos exhiben un comportamiento ondular; en la teoría cuántica, un cuanto moviéndose en dirección a una "colina" potencialmente energética puede ser descrito por su función de onda, que representa la amplitud probable que tiene la partícula de ser encontrada en la posición allende la estructura de la curva. Si esta función describe la posición de la partícula perteneciente al flanco adyacente al que supuso su punto de partida, existe cierta probabilidad de que se haya desplazado "a través" de la estructura, en vez de superarla por la ruta convencional que atraviesa la cima energética relativa. A esto se conoce como efecto túnel.
SÍMBOLO DEL DIODO TUNEL
DESCRIPCIÓN DESCRIPCIÓN DEL DIODO TUNEL
El Diodo túnel es un diodo semiconductor que tiene una unión pn, en la cual se produce el efecto túnel que da origen a una conductancia diferencial negativa en un cierto intervalo de la característica corriente-tensión. corriente-tensión. La presencia del tramo de resistencia negativa permite su utilización como componente activo (amplificador /oscilador). /oscilador). Una característica importante del diodo túnel es su resistencia negativa en un determinado intervalo de voltajes de polarización directa. Cuando la resistencia es negativa, la corriente disminuye al aumentar el voltaje. En consecuencia, el diodo túnel puede funcionar como amplificador, como oscilador o como biestable. Esencialmente, este diodo es un dispositivo de baja potencia para aplicaciones que involucran microondas y que están relativamente libres de los efectos de la radiación.
Si durante su construcción a un diodo invertido se le aumenta el nivel de dopado, se puede lograr que su punto de ruptura ocurra muy cerca de los 0V. Los diodos construidos de esta manera, se conocen como diodos tunel. Estos dispositivos presentan una característica de resistencia negativa; esto es, si aumenta la tensión aplicada en los terminales del dispositivo, se produce una disminución de la corriente (por lo menos en una buena parte de la curva característica del diodo). Este fenómeno de resistencia negativa es útil para aplicaciones en circuitos de alta frecuencia como los osciladores, los cuales pueden generar una señal senoidal a partir de la energía que entrega la fuente de alimentación. Estos diodos tienen la cualidad de pasar entre los niveles de corriente Ip e Iv muy rápidamente, cambiando de estado de conducción al de no conducción incluso más rápido que los diodos Schottky. El diodo Tunnel se comporta de una manera muy interesante conforme se le va aumentando una tensión aplicada en sentido directo.
CURVA CARACTERÍSTICA DEL DIODO TUNEL
Cuando se aplica una pequeña tensión, el diodo tunnel empieza a conducir (la corriente empieza a fluir). Si se sigue aumentando esta tensión la corriente aumentará hasta llegar un punto después del cual la corriente disminuye. La corriente continuará disminuyendo hasta llegar al punto mínimo de un "valle" y después volverá a incrementarse. En esta ocasión la corriente continuará aumentando conforme aumenta la tensión.
Este comportamiento de la corriente en función de la tensión en el diodo tunnel se puede ver en el siguiente gráfico. . Vp: Tensión pico - Vv: Tensión de valle - Ip: Corriente pico - Iv: Corriente de valle La región en el gráfico en que la corriente disminuye cuando la tensión aumenta (entre Vp y Vv) se llama "zona de resistencia negativa" Los diodos tunnel tienen la cualidad de pasar entre los niveles de corriente Ip e Iv muy rápidamente, cambiando de estado de conducción al de no conducción incluso más rápido que los diodos Schottky.
OTROS PUNTOS
Presenta una zona de resistencia negativa. No hay procesos de alimentación, por lo tanto es útil en aplicaciones de alta velocidad. Diodo Unitúnel o Backward: caída de tensión en el diodo muy baja.
APLICACIONES
Desgraciadamente, este tipo de diodo no se puede utilizar como rectificador debido a que tiene una corriente de fuga muy grande cuando están polarizados en reversa. Así estos diodos sólo encuentran aplicaciones reducidas como en circuitos osciladores de alta frecuencia.
DIODO VARICAP
INTRODUCCIÓN El diodo de capacidad variable o Varactor (Varicap) es un tipo de diodo que basa su funcionamiento en el fenómeno que hace que la anchura de la barrera de potencial en una unión PN varíe en función de la tensión inversa aplicada entre sus extremos. Al aumentar dicha tensión, aumenta la anchura de esa barrera, disminuyendo así la capacidad del diodo. De este modo se obtiene un condensador variable controlado por tensión. Los valores de capacidad obtenidos van desde 1 a 500 pF. La tensión inversa mínima tiene que ser de 1 V. SÍMBOLO DEL DIODO VARICAP
DESCRIPCIÓN
Es un dispositivo semiconductor que puede controlar su valor de capacidad en términos de la tensión aplicada en polarización inversa. Esto es, cuando el diodo se polariza inversamente no circula corriente eléctrica a través de la unión; la zona de deflexión actúa como el dieléctrico de un capacitor y las secciones de semiconductor P y N del diodo hacen las veces de las placas de un capacitor. La capacidad que alcanza el capacitor que se forma, es del orden de los picos o el nanofaradios. Cuando varía la tensión de polarización inversa
aplicada al diodo, aumenta o disminuye de igual forma la zona sea digital o analógica. Las aplicaciones de los varicap son la mayoría de las veces en circuitos de deflexión. En un diodo, esto equivale a acercar o alejar las placas de un capacitor Debido a la recombinación de los portadores en el diodo, una zona de agotamiento se forma en la juntura. Esta zona de agotamiento actúa como un dieléctrico (aislante), ya que no hay ninguna carga y flujo de corriente. Las áreas exteriores a la zona de agotamiento si tienen portadores de carga (área semiconductor). Se puede visualizar sin dificultad la formación de un capacitor en el diodo (dos materiales semiconductores deparados por un aislante). La amplitud de la zona de agotamiento se puede ampliar incrementando la tensión inversa aplicada al diodo con una fuente externa. Esto causa que se aumente la separación (aislante) y separa más las áreas semiconductoras. Este último disminuye la capacitancia.
OTROS PUNTOS La capacitancia es función de la tensión aplicada al diodo.
Si la tensión aplicada al diodo aumenta la capacitancia disminuye Si la tensión disminuye la capacitancia aumenta
APLICACIONES
La aplicación de estos diodos se encuentra, sobre todo, en la sintonía de TV, modulación de frecuencia en transmisiones de FM y radio y en los osciladores controlados por voltaje (oscilador controlado por tensión). tensión). En tecnología de microondas se pueden utilizar como limitadores: al aumentar la tensión en el diodo, su capacidad varía, modificando la impedancia que presenta y desadaptando el circuito, de modo que refleja la potencia incidente.
