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Diodo caracteristicas

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CARLOS GOMEZ SALAZARltima revisin: diciembre 2012INTRODUCCIN: Eldiodo semiconductorno solo es de gran importancia en las aplicaciones electrnicas modernas, sino que adems la teora de launin n-psirve como fundamento en la comprensin de los dispositivos semiconductores. Pero antes de verqu es un diodo semiconductor,por qu rectifica,qu diferencia hay entre un diodo rectificador y uno demodulador de AM, yqu es la corriente inversa de saturacin, el voltaje de ruptura y qu es el voltaje umbral, es conveniente comenzar especificando cul es la representacin de la circulacin de corriente elctricaqueseutilizar.

En cada "rama"de un circuito (parte del circuito entre dos bifurcaciones o "nodos", formada por alambres y componentes,todos conectados en serieuno con el otro),puede haber solo una corriente elctrica, caracterizada por su magnitud ("intensidad de corriente") que es un nmero realIcon la unidad correspondiente (ampere, A, para la corriente en el S.I. de unidades), y uno de los dos sentidos de circulacin (hacia uno u otro extremo de la rama). Se conviene en que el signo positivo (o negativo) de la intensidad de corrienteIindica que fluye en el mismo sentido (o al revs) del indicado esquemticamente por la flecha en los diagramas de circuitos:I>0Asifluyeenelsentidoindicado;o bien,I< 0 A cuando fluye al revs.

Pero hay que convenir adems si la corrienteIrepresenta un flujo de cargas positivasodecargasnegativas.Desde el punto de vista de la energa de las cargas en un punto del circuito, el problema es anlogo al caso de la masamde un cuerpo en elcampo gravitatoriogde la Tierra, donde el cuerpo sufre una variacin de altura hcayendohacia una energa potencialgravitacional(mgh+constante) menor:Los portadores de carga elctricaqde un circuito fluyen hacia un voltajeVdonde tienen una energa potencialelctricaU(=qV+constante) menorPero en el caso del Electromagnetismo, a diferencia de la Gravitacin, existe la repulsin y pueden haber portadores de cargas positivas (q> 0 C) y negativas (como loselectrones libresen un metal, que tienen cargaq= -e< 0 C). Para unas la variacin de voltaje Vtiene un signo, y para las otras (que circulan al revs) Vtiene el signo opuesto. Pero como ambos factores (qy V) cambian de signo, entonces la variacin U=qVde energa potencialUes igual en ambos casos, y entonces resulta querespecto del voltaje hay dos formas equivalentesde representar la misma corriente:(i) Cargas positivas yendo hacia un voltaje menor(ii) cargas negativas yendo hacia un voltaje mayorAqu se adopta la primera, que es la convencin ms difundida:Irepresenta la circulacin de cargas elctricaspositivasfluyendohacia un voltaje menor

Diodo

Diodo en primer plano. Ntese la forma cuadrada del cristal semiconductor (objeto negro de la izquierda).

TipoSemiconductor

Principio de funcionamientoEfecto Edison

Fecha de invencinJohn Ambrose Fleming(1904)

Smbolo electrnico

ConfiguracinnodoyCtod

Entonces la corrienteI> 0 A sale del borne de mayor potencial de la fuente de voltaje (indicado con "+"), pasa a travs de todos los elementos del circuito ("cayendo" a un voltaje menor), y entra por el borne negativo de la fuente.En el caso de los conductores (metales), laverdadera"corriente fsica" de cargas elctricas circula al revs que la "corrienteconvencional"I> 0 A que se representa en los esquemas (como se muestra en la Figura).

fig. 1:Diagrama esquemtico de una fuente de voltaje ideal conectada a un resistor. En el circuito se indica el sentido de circulacin de la corriente elctrica de intensidadI> 0 A, segn la convencin adoptada (circulando al revs que loselectrones libresdentro del material conductor del resistor).Hay que enfatizar que"dentro" de la fuente de voltaje(que es el elemento que realiza trabajo para mantener la circulacin de cargas a travs de un medio disipativo), la corrienteI> 0 A va desde el borne "-" al borne "+". A la fuente de voltaje se la denomina "Fuerza Electromotriz" (FEM), yen su interiorlas cargas son llevadas (mediante la transformacin de alguna forma de energa) a una energa potencial mayor.Pero"fuera" de la FEM, sobre cada elementopasivodel circuito, la corrienteI> 0 A va al revs (desde "+" hacia "-"). Estos voltajes o diferencias de potencial elctrico se denominan "cadas de voltaje", porque corresponden a una corriente de cargas que "caen" hacia una energa potencialinferior,enunvoltajemenor.En el caso de la corriente de cargasnegativasdentro de un metal, fuera de la FEM tambin caen a una energa potencial inferior, pero fluyendo hacia unvoltaje mayor.DIODO SEMICONDUCTOR (Diodo deunin n-py diodoSchottky)

1-QUES

Unrectificador de corriente elctricao"DIODO"es un componente electrnico de 2 (o ms) terminales o electrodos, quesolo permite la circulacin de la corriente en un solo sentido, que para cargas elctricaspositivases desde el electrodo "A" de mayor potencial elctrico (denominadonodo), hacia el electrodo "K" de menor potencial (denominadoctodo). Por lo tanto un diodo es, en general, un componente unidireccional,asimtrico.

Unrectificador perfectoes el que para cualquier voltaje aplicado, no conduce absolutamente ninguna corriente de cargas positivas desde K hacia A, mientras que al revs, conduce cualquier valor infinitamente grande decorriente.

Existe un conjunto muy grande de rectificadores semiconductores y dispositivos relacionados con caractersticas fsicas y geomtricas propias, segnlafuncinquedebanrealizar.Los primeros componentes electrnicos que dominaban la Electrnica a mediados del Siglo XX, fueron las"vlvulas" termoinicas, tambin denominadas "lmparas" o "tubos" termoinicos. El voltaje de la "placa" (nombre del nodo de las vlvulas) es suficientemente mayor al del K como para que electrones del K abandonen el metal, y formen una corriente interior desde el K hacia la placa. Por lo tantotodas las vlvulas rectifican corriente elctrica. La ms simple, eldiodo termoinico, posee 2 terminales para los electrodos (K y placa) y otros 2 terminales para un calefactor del K (En algunas vlvulas el calefactor tambin acta de ctodo). El diodo termoinico se usa especficamente pararectificar, mientras que otros tipos de vlvulas tienen ms terminales para realizar otras funciones (como por ejemploamplificar).Con el desarrollo de laElectrnica de "Estado Slido"a partir de la concepcin de la Fsica Cuntica (entre 1900 y 1927), la invencin deltransistor bipolar(de contacto en 1947 y de unin en 1951) y la fabricacin de transistores (a partir de 1954), en la segunda mitad del Siglo XX comenzaron a desarrollarse una infinidad de componentes semiconductores, y entre ellos, muchos tipos especiales de rectificadores. A uno de los dos ms simples se lo conoce simplemente como "diodo rectificador (semiconductor)".

Fig. 2:Fuente de voltaje alternoVACalimentando una resistenciaRLde carga a travs de(a)un diodo termoinico (omitiendo el calefactor y su circuito) y(b)un diodo de estado slido. En ambos circuitos, debido al efecto del rectificador, aRLsolo llegan los semiciclos positivos deVAC. Estos dos componentes son los rectificadores ms elementales de cada generacindedispositivos electrnicos.Por su propiedad ms importante (conducir corriente en un sentido y bloquearla en el otro), el smbolo electrnico del diodo semiconductor es una "flechita" en elsentido de circulacin "directo" (forwarden ingls), desde A hacia K. El sentido correspondiente a voltajes negativos, se denomina"inverso"(reverse).Por su propia construccin fsica, aunque se pueda hablar de voltaje inverso, en las vlvulas termoinicas no existe ninguna corriente inversa. En los dispositivos de estado slido esto es diferente. No solo existe una corriente inversa, sino que adems es muy importante en el funcionamiento de muchos dispositivos (por ser muy sensible a la iluminacin y a la temperatura).Este artculo trata de los 2 tipos ms simples de rectificadores modernos (semiconductores) mostrados en la Figura siguiente,compuestos por (la uninocontactode)dosmateriales:(1) Diodos de "Unin Semiconductor-Semiconductor": son los ms conocidos (comnmente llamados "diodos rectificadores"), constituidos por la unin de un semiconductor dopadotipo-ncon un semiconductor del mismomaterialperotipo-p(diodosde"uninn-p");

(2) Diodos de "BarreraSchottkyMetal-Semiconductor"o "DiodosSchottky": son los primeros que existieron (llamados "diodos de seal"), constituidos por un metal y un semiconductor dopadotipo-p. Estos 2 materiales suelen estar ligados mediante uncontacto puntualo por unauninfsica, como por ejemplo mediante difusin.

Fig. 3:Muestra de los dos tipos de diodos semiconductores ms comunes y simples: un diodo rectificador 1N4007, deunin n-pde silicio (con encapsulado plstico) y dos diodos de seal 1N60,Schottkyde germanio (con encapsulado de vidrio). En el smbolo de este ltimo, el K se indica con una"S"de"Schottky".En el Apndice "Otros diodos y dispositivos relacionados", se mencionan por comparacin algunos tipos especiales de rectificadores de estado slido con estructura ms compleja, como diodoszener,varactores, diodostnel, diodos reguladores de corriente (CRDs), diodosShockley,DIACs, diodos emisores de luz (LEDs), fotodiodos, fotoceldas y algunos rectificadores de 3 terminales que no son realmente diodos (o son algo ms que diodos), pero que en algn sentido estn relacionados a los rectificadores (comolosSCRs, losTRIACsy los diodoszenerprogramables).

2-PARAQUSIRVE(1)El rectificador ms conocido es el"DIODO DEUNIN n-p"o simplemente"DIODO RECTIFICADOR". En algunas de sus aplicaciones se usa solamente la propiedad de conducir corriente en un sentido y bloquearla en el otro. En otras se usa la propiedad del aumento brusco de la corriente con el voltaje al alcanzar sus valores lmite de voltaje (rupturaen inverso, yumbralen directo) y en otras la dependencia del voltaje directo con la temperatura. Porejemplo:(1.1) Rectificadores de Voltaje y de Corriente:Esta es la aplicacin ms extendida y conocida de un rectificador, donde 1, 2 4 diodos conectados al secundario de un transformador de una fuente de alimentacin, sirven para convertir corriente alterna (AC,Altern Current) en corriente con una sola polaridad, para despus (con otros elementos de circuito), convertirla finalmente en corriente continua (DC,Direct Current).

Fig. 4:Diagramas esquemticos de fuentes AC de voltajeVi(bobinado secundario de un transformador) con rectificadores. El voltaje de salidaVocorresponde a: (A) media onda implementada usando un bobinado simple con 1 diodo; (B) onda completa, bobinado simple con 4 diodos, (C) onda completa, bobinado de punto medio con 2 diodos; y (D) rectificador bipolar de onda completa simtrica, bobinado de punto medio con 4 diodos.Los diodos rectificadores tambin se usan en paralelo con un interruptor, para reducir a la mitad la potencia de calefactores en diversos aparatos (soldadores, secadores de pelo, estufas, etc.), ya que durante medio ciclo (lamitaddel tiempo)noconducen.(1.2) Compuertas Lgicas:Con diodos rectificadores y transistores se pueden implementar configuraciones que se comportan como "circuitos lgicos", realizando las operaciones bsicas (not,oryand, o las universalesnorynand), y combinaciones de ellas. Estos circuitos se usan en indicadores luminosos, en sistemas de control electrnico, en conmutacinactivacin derelays.(1.3) Multiplicadores de Voltaje:Conectando diodos rectificadores y condensadores, se pueden implementar configuraciones de alto voltaje que cargan los condensadores en los semiciclos AC, aumentando el voltaje entre dos puntos dados del circuito. Se utilizan en fuentes de alto voltaje (como por ej. las fuentes de TVs y de ozonizadores de aire en hospitales y de agua en piscinas).

Fig. 5:Diagramas esquemticos de un duplicador de voltaje y de un multiplicador de voltaje extendible, a partir de una fuente de voltaje ACVi(t) de amplitudVM, condensadores y diodos rectificadores. En el segundo circuito, cada condensador queda cargado conVMy, donde se unen el diodo y el condensadorn-simos, se tieneelvoltajedesalidaVo=nVM.(1.4) Reguladores de voltaje y Protectores de Sobrevoltaje:Los diodos rectificadores pueden limitar el voltaje de 3 modos diferentes: sin conducir en inverso (A en la Fig. siguiente), sin conducir en directo (B), y conduciendo en directo (D). Un cuarto modo es limitar el voltaje conduciendo en inverso, que se realiza con un diodo especial, denominadozener(C en la Figura).

Fig. 6:Curva caracterstica de un diodo, indicando cuatro puntos de trabajo de protectores de sobretensin (A y B) y reguladores de voltaje (C y D) utilizando un diodo, con los correspondientes diagramas esquemticos de los circuitos. En A y en C se utiliza el voltaje inverso de rupturaVBRcomo lmite de voltaje, mientras que en B y en D el voltaje umbralV. En A y en B el diodo no conduce (acta comoprotectorde sobrevoltaje), mientras que en C y en D el diodo deja pasar corriente fijando el voltaje (acta comoreguladorde voltaje). A, B y D se implementan con un diodo rectificador comn, mientras que C tiene un diodozener.(a) Proteccinpor voltaje de rupturaVBR(VRMax), conectado en inverso sin conducir(A en la Fig. anterior): Esta configuracin se fundamenta en que la curva caractersticaIvs.Ven inverso tiene un "voltaje de ruptura"VBR(breakdown, tpicamente 2-1000 V dependiendo del tipo de diodo) y una pendiente muy pronunciada (zona de avalancha). Esto significa que cuando no se alcanza ese voltaje, el diodo tiene una resistencia muy grande (no conduce), pero cuando un transitorio de voltaje intenta sobrepasar el valor de ruptura, el diodo se vuelve conductor (con muy baja resistencia) en sentido inverso, manteniendo al voltaje cercanoalderuptura.Conectando entonces al diodo en oposicin y en paralelo con el circuito que se desea proteger, ante un sobrevoltaje de tensin transitorio y que supere el voltaje de ruptura, el diodo deja pasar corriente (en inverso) "absorbiendo" el transiente en una fraccin de microsegundo (y posiblemente fundiendo algn fusible para interrumpirelfuncionamiento).Para AC se conectan dos diodos en "anti-serie" (en serie pero uno en oposicin con el otro), y el conjunto anti-serie conectado en paralelo con el circuito que se desea proteger. De las dos barreras en serie, limita la mayor, la de ruptura. De este modo, durante una sobretensin que supereVBR, segn su polaridad, uno deja pasar corriente en directo y el otro en inverso, impidiendoqueaumente voltaje.En general los rectificadores no se usan de este modo, ya que no estn preparados para conducir en sentido inverso. Por eso, cuando los diodos rectificadores (comunes) se usan as, es para transientes no repetitivos.(b) Proteccinpor voltaje umbralV, conectado en directo pero sin conducir (B en la Fig. anterior): Esta configuracin es similar a la anterior pero para proteccin contra sobrevoltajes muy pequeos. Se fundamenta en que la curva caractersticaIvs.Ven directo tiene un "voltaje umbral"V(threshold) y una pendiente muy pronunciada (En diodos de germanio (Ge) esVGe 0.25 V y en diodos de silicio (Si) esVSi 0.6 V). Conectando entonces al diodo en directo y en paralelo con el circuito que se desea proteger, ante un voltaje transitorio y que tienda a superar el umbral, el diodo conduce "absorbiendo"eltransiente.Para AC se conectan dos diodos en "anti-paralelo" (back-to-back), y el conjunto anti-paralelo conectado en paralelo con el circuito que se desea proteger. En paralelo, la barrera que limita es la menor, la del voltaje umbral (ya que en general, para los rectificadores, el voltaje umbral es mucho menor que el voltaje de ruptura). De este modo, durante la sobretensin, segn su polaridad, uno de los diodos deja pasar corriente en directo, impidiendo que aumente demasiado el voltaje Esta proteccin es utilizada para voltajes relativamente bajos. Para mayores voltajes y potencias, en vez de utilizar varios diodos, se utiliza unvaristor(VARiable resISTOR), tambin denominadoVDR(Voltage Dependent Resistor). El ms comn es elMOV(Metal Oxide Varistor), fabricado con material policristalino sinterizado compuesto de xidos de zinc (Zn) con xidos de bismuto (Bi), cobalto (Co) y manganeso (Mn). Este material tiene uniones semiconductoras entre granos, por lo tanto se puede modelar como un conjunto o arreglo de diodos en serie y en paralelo.

(c) Regulador de voltaje mediantevoltaje umbralV, conduciendo en directo (D en la Fig. anterior):En paralelo con el circuito que se desea proteger, funciona como "anclaje" de voltaje (clamp diode).La regulacin de voltaje directo no es muy buena, pero de todos modos, porcentualmente es muy superior a las variaciones relativasdelacorriente.Para regular simtricamente circuitos de AC de este modo, se colocan en anti-paralelo. Cuando se requiere que acte a voltajes mayores, se colocan ms diodos en serie, y para aumentar la capacidad de absorber corriente, secolocan.Para una mejor regulacin de voltaje, en vez de esta configuracin conduciendo en directo, es ms comn utilizar un solo diodozenerconduciendo en inversa (como en C de la Figura anterior). La curva caracterstica en la zona inversa de ruptura es mucho ms pronunciada que la zona de conduccin directa (como se ve con el trazador de curvas en un Apndice al final), por lo que unzenertiene mejor regulacin de voltaje. Adems se consiguen diodoszenerde varios voltajes (cosa que no sucede con los voltajes umbral).(1.5) Transductores de temperatura a voltaje:Los diodos semiconductores rectificadores son muy fciles de usar en termometra industrial y en laboratorios, comotermmetrospequeos, rpidos, confiables, de gran exactitud y repetibilidad, incluyendomuybajastemperaturas.La termometra usando diodos semiconductores est basada en la dependencia del voltaje directoVF(T,IF) con la temperaturaTy la corriente directaIFen unaunin n-p. Para que solo dependa deT, se usa una pequea corriente elctricaconstante, tpicamenteIF 10 A (0.1%), lo suficientemente baja como para no sobrecalentar ni el dispositivo ni el sistema donde se mideT, y lo suficientemente alta como para que la magnitud deVFsea relativamente grande (del orden de 100 mV superior) para ser "leda" con un circuito electrnicostandard.

La"curva de respuesta con la temperatura"VF(T)de unaunin n-pcon Ge o con Si, es relativamente lineal solamente en rangos pequeos de temperatura. Pero con la Electrnica moderna, la alinealidad no es un problema. Muchos controladores de temperatura tienen un algoritmoPIDy un termmetro formado por el diodo sensor de temperatura, con los puntos (VF,T) obtenidos en una calibracin previa, guardados en la memoria.

Fig. 7:Diagrama esquemtico de curvas caractersticasCorriente vs. Voltajede un diodo a una misma corrienteIFpero a diferentes temperaturas (T10V)osinella(V=0V).Lasvlvulas termoinicasrectificadoras estn diseadas fsicamente para que esta barrera a la conduccin en directo sea menor que al revs. En la barrera interviene la energaEWnecesaria para hacer que los electrones abandonen el material del K (denominada "funcin trabajo"). Al aumentar el voltaje de la placa en relacin al K, aumenta la energa potencial elctrica de los electrones en el material del K. Como hay que "arrancarlos" de la superficie del K y acelerarlos hasta la placa, el voltajeVpsobre las vlvulas es relativamente alto. Para que esteVpsea menor, (i.e., para que cueste menos funcin trabajo), se utilizanctodos calientes. El proceso se denomina "emisin termoinica", y tpicamenteVp 100-500 V.

Eldiodo semiconductor de uninfunciona de un modo muy diferente, pero tambin hay que aplicar un voltaje umbral para vencer una barrera (aunque mucho menor que en las vlvulas). A continuacin se explica cualitativamenteel origen fsico de los parmetros que determinan la curvaCorriente vs.FuncionamientodeldiodosemiconductorrealTres parmetros importantes en el funcionamiento del diodo rectificador de uninn-pydiodoSchottkyrealesson:(1)Intensidad de corriente inversa de saturacinIo(2)VoltajeinversoderupturaVBR(VRMax)(3)Voltaje(directo)umbralV

Cuando se fabrica un diodo deunin n-p, al poner en contacto dos materiales con concentracin distinta (exceso de electrones libres en eltipo-ny exceso de agujeros en eltipo-p), habrdifusin de portadores de cargade uno y de otro lado atravsdelaunin.Entonces, loselectrones(portadores de carganegativosy mayoritarios en el materialtipo-n) difundirn hacia eltipo-p, dejando iones positivos donadores "desnudos" (en eltipo-n), cruzando la unin y recombinndose con agujeros, haciendo que queden iones negativos aceptadores desnudos (en eltipo-p).Anlogamente, losagujeros(portadores de cargapositivosy mayoritarios en el materialtipo-p) difunden hacia eltipo-ncruzando la unin y recombinndose con electrones (En un diodoSchottkysucede algo relativamente similar, pero con electrones libres y un metal en vez de un semiconductortipo-n).

Fig. 12:Representacin esquemtica de la estructura de un diodo semiconductor deunin n-p. Debido a la recombinacin de electrones libres deltipo-ncon los agujeros deltipo-p, alrededor de la unin quedan iones que generan un campo elctrico intrnseco (de contacto)Enpdesde eltipo-nhaciaeltipo-p.Por lo tanto, la zona de material (originalmente neutro)tipo-nque rodea la unin queda positiva, y la zona cercana a la unin dentro del materialtipo-pqueda negativa, dando lugar a la aparicin de uncampo elctrico inverso, intrnseco o de contacto,Enp, que "apunta" desde eltipo-n(positivo) hacia eltipo-p(negativo).

Este campoEnpdenhaciapproduce una fuerza elctricaFnp=qEnpsobre las cargasq. Esta fuerza esten contra de los agujerosque estn difundiendo hacian, y anlogamente, el mismoEnpproduce una fuerza elctricacontra los electronesqueestndifundiendohaciap.Por lo tanto, la difusin persiste hasta que elEnpllegue a ser lo suficientemente intenso en la unin, como para compensar la difusin y establecerel equilibrio.Laregin de recombinacinque rodea la unin donde existe el campo elctricoEnp, se denominaregin de deplexin, o regin de carga de espacio, o regin de transicin(depletion region;depletion layer) y tiene un espesor.

La existencia deEnp(que apunta denhaciap), hace que en la regin de recombinacin exista una variacin o salto de potencial elctricoV0(de unas cuantas dcimas de volt, mayor ennrespecto dep), y por lo tanto hay una barrera de energa potencial electrostticaeV0para los agujeros y una barrera-eV0para para los electrones(1)CorrienteinversadesaturacinIoEs importante observar que la existencia de esta regin intermediasinportadores de carga (ni electrones libres ni agujeros), hace queeldispositivonopuedaserconductor.Cuando el dispositivo se polariza ensentido inverso o de bloqueo(reverse bias),VR< 0 V, aparece un campo elctrico exteriorEextadicional en la misma direccin (atravesando la unin a lo largo de la regin de recombinacin). Como en el materialtipo-nel potencial aplicado externamente es positivo respecto deltipo-p, el campoEextsobre todo el material tiene el mismo sentido queEnp, por lo que el campo elctrico total en la unin es la suma de dos campos inversos y posee una intensidad (inversa) mayor:ETOTAL=Enp+Eext. Esto significa queaumenta el ancho de la regin de recombinacin, la barrera se hace mayor y no puede haber flujo de cargas. Entonces, a travs de launin n-pen el cero absoluto (T= 0 K) nohayconduccineninverso.

El estado de no conductor a 0 K con polarizacin inversa cambia cuandoT> 0 K. La presencia del campo elctrico de los tomos desnudos con energa trmicakT, rompe algunos enlaces covalentes cercanos, y entonces aparecenpares agujero-electrn libregenerados por la agitacin trmica en ambos lados de la regin de transicin.El electrn de los pares generados en eltipo-nse liga a algn in positivo cercano, y el agujero de los pares generados en eltipo-pse liga a algn in negativo (como se muestra esquemticamente en la Figura).

Por lo tanto, alrededor de la unin aT> 0 K los agujeros en eltipo-ny electrones en eltipo-pgenerados trmicamente, bajo la fuerza del campo elctrico inverso atraviesan la unin hasta recombinarse (flecha verde).Esto constituye una pequea corriente inversaIRcuya intensidad con muy poco voltaje inverso alcanza el valor lmiteIo, que es el parmetro denominadocorriente inversa de saturacindel diodo.

Fig. 13:Representacin esquemtica del origen de la corriente inversa de saturacinIoen un diodo semiconductor deunin n-p. En la zona de transicin aT> 0 K, se rompen enlaces generandopares agujero-electrn. De este modo quedan agujeros entre los iones positivos deltipo-ny electrones entre los iones negativos deltipo-p, que se recombinan movidos porelcampoelctrico inverso.En un diodoperfectoIo 0 A, pero en un diodoidealla teora deShockleypredice y explica la existencia deIo, observada en los diodosreales(oprcticos).Esta corriente inversa se desprecia en muchas aplicaciones, ya que es del orden de 100 A y 0.1 A en diodos de Ge y de Si respectivamente. Pero por otro lado, existen otros dispositivos donde se utiliza la sensibilidad deIocon la temperatura o bien con la iluminacin (dado que tambinla luz visible puede romper enlaces covalentesygenerarpareselectrn-agujero).(2)VoltajeinversoderupturaVBR(VRMax)Si el voltaje inverso sigue aumentando negativamente, finalmente alcanzar un voltaje lmite -VBRasociado a otra barrera, a partir de la cual comienza una conduccin en sentido inverso. Esta corriente inversa normalmente destruye al dispositivo, salvo los especialmente diseados para conducir en ese rgimen hasta un valor mximo de potencia (denominados diodosZener).El caso ms comn es que cuandoVR= -VBRlos agujeros y electrones generados trmicamente que componen la corriente adquieren energa suficiente como para liberar enlaces de electrones de valencia y as producir nuevos portadores de carga. A su vez, estos nuevos portadores liberan otros, en un proceso acumulativo denominadomultiplicacinporavalancha".

Pero existe otro mecanismo que origina conduccin inversa. Si los portadores de carga no tienen energa suficiente para romper enlaces en las colisiones, igual es posible que se produzca una"ruptura" (breakdown)al alcanzar un voltaje -VBRasociado a un campo elctrico inverso suficientemente intenso como para romper directamente los enlaces. En este caso la conduccin inversa se denominazener, y se produce generalmente en diodos donde el voltaje de rupturaVBResmenorqueunos6V.En la prctica, los trminos "Zener" o "ruptura" se utilizan en general, no solo para los diodos de ruptura sino tambin para los de avalancha que poseen,en principio,voltajesVBRmuchomayores.En un diodoperfectoy en un diodoidealno hay ruptura, es decir,VBR . Pero en un diodorealVBRes un parmetro muy importante, de valor finito.(3)VoltajeumbralVEn un diodoperfectoy en un diodoidealtampoco hay voltaje umbral, es decir,V 0 V. Pero en un diodorealVtambin es un parmetro muy importante, de valor finito, como se verifica experimentalmente en las imgenes del cuadrante I de la curvaI vs. Vvistas en el trazador de curvas. En efecto, se observa en las curvas que la conduccin en directo de un diodo de unin de Si y de un diodoSchottkyde Ge es nula o casi despreciable hasta que el voltaje directo alcanza un valor umbral. Veamos cmo esto se explica cualitativamente.

Fig. 14:Representacin esquemtica del cambio en el ancho de la regin de transicin con las polarizaciones inversa y directa.Cuando el dispositivo se polariza ensentido directo(forward bias),VF> 0 V, el campo elctrico exteriorEextque atraviesa la unin a lo largo de la regin de recombinacin, ahora tiene sentido opuesto al campo intrnsecoEnp, por lo que el campo elctrico total posee una intensidad menor:ETOTAL=Enp-Eext. Esto significa que el campo sobre la unin polarizada directamentedisminuye el ancho de la regin de recombinaciny consecuentemente la barrera se hace ms delgada. Pero si an queda algo del campo intrnseco que el campo exterior no haya cancelado, persiste parte de la barrera y el dispositivo sigue en estado "no conductor".El voltaje umbral es el que produce un campo exterior directo que cancela al campo intrnseco inverso, y a partir del cual, sin barrera, podr haber conduccin. ste es entonces el origen del voltaje umbral.Curva Caracterstica CorrienteIvs. VoltajeVdel diodo semiconductorConsiderando portadores mayoritarios y minoritarios, el fsico e inventor estadounidenseWilliam Bradford Shockley(1910-1989)en 1949 elabor la teora de launin n-pcon su clebre ecuacin para la corriente inversaIo, que conduce a la expresin de la corrienteIen funcin del voltaje aplicadoV(polarizacin inversa o directa), conocida comoLey del Diodo Ideal deShockley:I=Io(eeV/(kT) 1)donde la corriente inversa de saturacin esIo=constantexT2e-EG0/(kT)siendoEG0EG(0K) el valor delgapdel material aT= 0 K.

Fig. 15:Representacin esquemtica de las curvas caractersticas de un rectificador perfecto, un diodo ideal (Ecuacin deShockley) y de un diodo semiconductordeLa Ecuacin deShockleydescribe bastante bien el comportamiento para pequeas corrientes de undiodoidealde uninn-pde germanio(conEG0Ge= 0.785 eV), donde dominan las corrientes de difusin. Pero en el caso de un diodos de Si o de GaAs, es necesario hacerle correcciones. Esto se debe a efectos de superficie, a efectos de "tunelaje" en la unin, y otros fenmenos no considerados enladeduccindeShockley.La curvaIvs.Vdeldiodoidealde uninn-pde siliciocrece ms suavemente que la caracterstica del diodo de Ge. Con las primeras dcimas de voltio deV, el crecimiento de la corriente directaIFcomienza variando comoeeV/(2kT)(en vez deeeV/(kT)como es para el Ge). Haciendo las correspondientes correcciones, la caracterstica para el Si resulta:I=Io(eeV/(nkT) 1)donden= 2 cuando domina la recombinacin (corrientes pequeas),n= 1 cuando domina la difusin (corrientes grandes), 1> 1,setieneIFconstantexe-EG/(kT)eeVF/(nkT)=constantexe(eVF-EG)/(nkT)de donde resulta que manteniendo la corriente directaIFconstante y pequea(cercanaalumbral),Tconstantex(EG-eVF)A0+A1VFEntonces se puede estimar experimentalmente elgapaT 300 K usando la relacin (lineal) del voltaje directoVFcon la temperaturaTdel material del diodo semiconductor (alrededor de la temperatura ambiente), a partir del cocienteEG/e= -A0/A1entre la ordenada al origenA0y (menos) la pendiente -A1, como se describe en elApndice "Medicin delgapde un semiconductor" del artculoEl Semiconductor (Tipo-nyTipo-p), usando un diodo deunin n-p1N4007 para el Si, y un diodoSchottky1N60 para el Ge.Trescomentariosms:Las uniones entre dos materiales elctricos diferentes, tienen otras aplicaciones.(1) Cuando se ponen en contacto dos metales diferentes ... se forma un rectificador?Los metales (puros y aleaciones) tienen electroneslibres(disponibles para la conduccin elctrica) con diferentes energas, dependiendo de la temperatura y de los niveles electrnicos de la banda de valencia de cada metal. Qu ocurre entonces cuando se ponen en contacto 2 metales diferentes?Hayuna barrerade potencial?Cuando se ponen en contacto migran electrones de un metal al otro hasta que un campo elctrico equilibre el gradiente de concentracin en la unin, provocando la aparicin de un voltaje (potencial de contactoopotencial termoelctricoSeebeck) aproximadamente proporcional a la temperatura de launin.La uninmetal-metalse llamatermopary es una clase de dispositivos muy importantes, con gran aplicacin entermometracomotransductores de temperaturaavoltaje.Por ejemplo, eltermopar tipo-Kest formado por el par de aleaciones denominadaschromel(90%Ni-10%Cr) yalumel(95%Ni-2%Mn-2%Al-1%Si). Elchromelresulta positivo respecto delalumely la sensibilidad del termopar tipo-Kes41V/oC.Pero un termopar no es un rectificador, ya que ninguno de los dos metales constituyentes tienegap. S es asimtrico (debido al potencialSeebeckque tiene una polaridad definida), pero no es un rectificador, pues conduce fcilmenteenambossentidos.

(2) Los terminales metlicos en los extremos de un diodo deunin n-p, formandosrectificadoresSchottky?Lgicamente aparecern dos potenciales de contacto en estas unionesmetal-semiconductoradicionales, en los extremos del diodo semiconductorn-p. Sin embargo estas uniones se fabrican para que no rectifiquen, para que sean simplemente un contacto resistivo.Cuando se tiene este tipo de unin, que es independiente del sentido y de la intensidad de la corriente, en vez de llamarse "unin", se la denominacontacto hmico. En general se reserva la denominacin "unin" para la existencia de una "barrera de energa potencial", que produce la rectificacin.

(3) El fenmeno inverso alSeebeckes el EfectoPeltier, descubierto en unionesmetal-metala travs de las cuales se obliga a circular una corriente elctrica.La aplicacin de este efecto termoelctrico enrefrigeradores termoelctricossin partes mviles se hizo prctica ms de un siglo despus de su descubrimiento, pero usandosemiconductores.Varios pares de elementostipo-nytipo-pfuertemente dopados, se conectan formando un mdulogenerador termoelctrico(TEG,ThermoElectric Generator). Los elementos se interconectan (en serie y en paralelo) alternadamente y con lminas metlicas, y el TEG queda compuesto por contactos hmicosmetal-semiconductortipo-ny contactos hmicosmetal-semiconductortipo-p. La generacin y absorcin de calor est asociada a la diferencia de energa potencial elctrica de los portadores en uno y otro tipo desemiconductor.5-MISCELNEASRectificador conPiedra Galena: Un diodo que se adelant medio siglo !A principios del Siglo XX, la Humanidad se encontraba asombrada tanto por la magia deLa Radiocomo por el misterio de la (rectificacin mediante la) "piedragalena".LaRadio Galenafue un receptor de radio con los mnimos componentes que adquiri ese nombre justamente porque sudiodo detectorse construy medianteun metal en contacto con unapiedra galena, que es sulfuro de plomo (PbS), el principal mineral natural del plomo, con estructura cristalina cbicaycomportamientosemiconductor.

El efecto "rectificador de puntas de contacto" en cristales haba sido descubierto en 1874 por el fsico e inventor alemnKarl Ferdinand Braun(1850- 1918), quien observ la dependencia de la resistencia con la polaridad del voltaje aplicado y con el detalle de las condiciones en la superficie de contacto, publicado enAnn. Phys. Chem.,153,556(1874).Mucho ms tarde, en los comienzos de la comunicacin con RF, el fsico, bilogo, botnico, arquelogo, inventor y escritor de ciencia ficcin bengalJagadish Chandra Bose(1858-1937), en sus experimentos con microondas de 1894 implement la idea dedemodular ondas de radio con un cristal semiconductor. En 1901Bosepresent una patente de un detector de radio AM conpiedra galena, un diodo de uninconductor-semiconductor( U.S. Patent 775,840 (1904) ).Este diodometal-galenafue el primer componente electrnico de la Historia !. As naci tambin la primera radio con detector agalena, la "Radio Galena".Finalmente,Brauncomparti conMarconielPremioNobelde Fsica 1909por sus contribucionesala"telegrafasinalambres".

El diodo conpiedra galenafue un dispositivo completamente anacrnico. Por un lado se adelant a la teora necesaria para comprender su funcionamiento, ya que era un componentecunticode laElectrnica de Estado Slidoque empezara a desarrollarse medio siglo despus ! Y por otro lado, comenz a utilizarse a principios del Siglo XX, cuando no exista ni siquiera la Electrnica (todava no se inventaban las vlvulas termo inicas !!). Tena todas las ventajas (respecto de las vlvulas) que tendran los dispositivos de estado slido "del futuro", como por ejemplo ser liviano, pequeo, compacto, econmico, sin calefaccin y de bajo consumo, casi sin desgaste ni fallas, miniaturizable e integrable, fabricable y soldable automticamenteyenserie.Los primeros dispositivos rectificadores utilizaban un metal (como el oro) o grafito, en contacto con unagalena. Fue la primera forma del diodo de estado slido, llamado entonces "rectificador de contacto" o "rectificador de punto". Adems de hacerse congalena, tambin se fabric con un xido de cobre(Cu)ytambinconselenio(Se).Despus de la patente de 1904 deldiodo metal-galena, basndose en el trabajo deBraunde 1874, el inventor estadounidenseGreenleaf Whittier Pickard(1877-1956)desarroll y patent en 1906 eldiodo "bigote de gato" (cat's whisker), con un alambrecito de 0.255 mm de dimetro (AWG 30, el "bigote"), de bronce fosforado (cobre con 3.5-10% de estao y 1% de fsforo), en contacto con un cristal de silicio fundido. Este diodo se utiliz como detector de AM aproximadamente entre 1906 y los aos 1940s, y laRadio Galenapas a llamarse tambin"Radio de Cristal".Generalmente, cuando en la actualidad alguien dice haber armado unaradio galena, en realidad se refiere a unaradio de cristal, cuyo rectificadoresundiodoSchottkycomercial.El diodoSchottkyha estado presente en toda la Historia de la Electrnica y en la actualidad se sigue fabricando y utilizando igual que antes, como detector, como si el tiempo no hubiese transcurrido. Es uno de los grandes inventos vigentes de nuestra Civilizacin, pero que al principio se utiliz durante dcadas sin conocerse la teora desufuncionamiento.En laFsica Clsicano exista el concepto degapni debandas de energasen los slidos. Por lo tanto, el principio bsico de funcionamiento de un diodo semiconductor se pudo desarrollar despus de establecerse los fundamentosdelaFsicaCuntica(1927).Desde el punto de vista elctrico, lagalenaes un semiconductor natural congappequeo (EG 0.4 eV). Es decir que launin metal-galenaforma un rectificador donde la barrerametal-semiconductorno es muy alta. Esta barrera de energa se denominabarreraSchottkyen reconocimiento al fsico terico e inventor alemnWalter Hermann Schottky(1886-1976), quien extendi la teora del fsico terico inglsNevill Francis Mott(1905-1996)(Premio Nobel de Fsica 1977) de 1939 sobre la rectificacin metal-semiconductor.La barrera de potencial "semiconductor-semiconductor" de launin n-pfue descubierta en 1939 por el ingeniero estadounidenseRussell Shoemaker Ohl(1898-1987)quien realiz importantes investigaciones sobre semiconductores (Todos los diodos, incluidos LEDs y LASERs, son descendientes del trabajo deOhl. Su trabajo lo condujo a desarrollar la primera celda solar de silicio. Present la primera patente en 1941, "Light-Sensitive Electric Device", y la obtuvo en 1946).

En el mismo tiempo, despus de la Segunda Guerra Mundial, a un grupo de investigadores deBell Labsse les encomend buscar una alternativa de amplificador con elementos de estado slido, para reemplazar las voluminosas y frgiles vlvulas termoinicas de vidrio, es decir, desarrollar una nueva tecnologa electrnica (cuando el nico componente de estado slidoerael"viejo"diodoSchottky).Uno de ellos, el fsico e inventor estadounidenseWilliam Bradford Shockley(1910-1989), tuvo la idea de modificar la conductividad de los semiconductores usando un campo elctrico externo (Ms de 15 aos antes, en 1930, el fsico astraco-hngaroJulius Edgar Lilienfeld(1882-1963)haba patentado el principio de lo que ahora se denomina MESFET, transistor por efecto de campo con unin metal-semiconductor, basado en esa idea, pero aparentemente, nadie la haba puesto en el contexto de los nuevossemiconductores).

Despus de intenso trabajo, dos de sus colegas, el ingeniero elctricoJohn Bardeen(1908-1991)yWalter Houser Brattain(1902-1987)(ambos fsicos estadounidenses), en 1947 lograron amplificacin con untransistor de punto de contacto, inventando as el primer transistor de la Historia.PeroShockleycontinu trabajando en secreto en un transistor diferente. Por un lado busc un diseo que fuese menos frgil y cuya fabricacin pudiera ser comercialmente ms viable. Y por otro lado, estudi una mejor descripcin terica de la conductividad, incluyendo la inyeccin de portadoresminoritarios.Finalmente,en 1949Shockleyestableci la teora de la curva caractersticaI vs. Vde unaunin n-py desarroll la teora deltransistor de unin (BJT,Bipolar Junction Transistor)que llam "sandwich transistor" ("The Theory of p-n Junctions in Semiconductors and p-n Junction Transistors"Bell Syst. Tech. J.28435 (1949) ) ("Electrons and Holes in Semiconductors"D. Van NostrandPrinceton, N.J., 1950).

Por fin, en 1949 se comprenda el fenmeno descubierto porBraun75 aos antes (1874) y que vena siendo utilizado en la Radio desde el principio del SigloXX!

Shockleyinvent el transistor de unin, lo di a conocer y obtuvo la patente en 1951. Form su propia compana en 1955 y recibi elPremio Nobel de Fsica 1956junto conBrattainyBardeenen reconocimiento por la invencin del transistor, algo que cambiara tremendamente las comunicaciones y la tecnologadenuestraCivilizacin.Posteriormente, la teora de launin n-pfue extendida porC. T. Sah,R. N. Noycey el mismoShockley("Carrier Generation and Recombination in p-n Junction and p-n Junction Characteristics"Proc. IRE451228 (1957) ) y despus porJ. L. Moll("The Evolution of the Theory of the Current-Voltage Characteristics of p-n Junctions"Proc. IRE461076 (1958) ).Desafortunadamente,Shockleyhizo que tambin se lo recuerde por sus controvertidas afirmaciones racistas e ideas acerca del mejoramiento de la raza, realizadasenlosaos1960.

Un comentario final: En esos aos (1956-7), el mismoBardeen, uno de los 3 inventores del transistor, public junto con los fsicos tericos estadounidensesLeon N. Cooper(1930 - )yJohn Robert Schrieffer(1931 - )una serie de artculos explicando la Superconductividad Tipo-I ("Teora BCS",Bardeen-Cooper-Schrieffer), por lo que los 3 compartieron elPremio Nobel de Fsica 1972.Bardeenes la nica persona con 2 Premios Nobel de Fsica(1956 y1972).

REFERENCIAS

(1)Sze S M 1981 Physics of Semiconductor Devices; Second Edition (N.Y.: John Wiley &Sons)

(2)Millman J and Halkias Ch C 1965 Electronic Devices and Circuits (McGraw-Hill)TraduccinalCastellano:Millman J y Halkias Ch C 1975 Dispositivos y Circuitos Electrnicos (Madrid: Pirmide)(Un viejo libro de la poca, cuando a los estudiantes de Ingeniera Electrnica se les enseabaalgo de la Fsica de los dispositivos)

(3)Horowitz P Hill W 1989 The Art Of Electronics; 2nd Edition (Cambridge: Cambridge)

(4)Falicov L M 1980 La estructura electrnica de los slidos; Tercera Edicin (Washington, DC: OEA) Monografa no. 3, Serie de Fsica

(5)McWhorter G and Evans A J 1994 Basic Electronics: Electronic Devices and Circuits, How They Work and How They Are Used (Richardson: Master) Radio Shack 62-1394

UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP.Pgina 21