Remove ads
En electrónica, un díodo[1] é un compoñente electrónico de dous terminais que permite a circulación da corrente eléctrica a través del nunha única dirección.[2] O termo adoita facer referencia a un díodo semicondutor, o tipo máis común actualmente. Este é unha peza cristalina de material semicondutor conectada a dous terminais eléctricos.[3] Un díodo de tubo de baleiro (pouco empregado actualmente agás nalgunhas tecnoloxías de alta potencia) é un tubo de baleiro con dous eléctrodos: unha placa e un cátodo.
A función máis común dun díodo é permitirlle á corrente eléctrica pasar nunha dirección (coñecida coma o sentido directo) mentres bloquea a corrente na dirección oposta (a dirección inversa). Polo tanto, o díodo pódese ver coma unha versión electrónica dunha válvula sen retorno. Este comportamento unidireccional coñécese coma rectificación, e úsase para converter corrente alterna en corrente continua, e para extraer a modulación dos sinais de radio nos receptores de radio.
Porén, os díodos poden ter un comportamento máis complexo do que esta simple acción interruptora, debido ás súas complexas características eléctricas non-lineais, que poden ser modificadas variando a construción da súa unión P-N. Estas explótanse en díodos de propósitos especiais que levan a cabo moitas funcións diferentes. Por exemplo, empréganse díodos especializados para regular a voltaxe (díodo Zener), para axustar electronicamente os receptores de radio e TV (díodo varactor), para xerar oscilacións de radiofrecuencia (díodo túnel) e para producir luz (díodo LED). Os díodos túnel teñen resistencia negativa, o que os fai útiles nalgúns tipos de circuítos.
Os díodos foron os primeiros dispositivos electrónicos semicondutores. O descubrimento das capacidades rectificadoras dos cristais foi levado a cabo polo físico alemán Ferdinand Braun en 1874. Os primeiros díodos semicondutores, chamados díodos de bigotes de gatos, desenvolvidos arredor de 1906, fixéronse de cristais minerais tales coma a galena. Hoxe, case tódolos díodos están feitos de silicio, mais ás veces empréganse outros semicondutores coma o xermanio.[4]
Remove ads
A función máis común dun díodo é permitir o paso dunha corrente eléctrica nunha dirección (chamada dirección directa do díodo), mentres que a bloquea na dirección oposta (a dirección inversa). Polo tanto, o díodo pode verse como unha versión electrónica dunha válvula de retención. Este comportamento unidireccional denomínase rectificación e utilízase para converter a corrente alterna (CA) en corrente continua (CC). Como rectificadores, os díodos poden utilizarse para tarefas como a extracción de modulación de sinais de radio en receptores de radio.
Con todo, os díodos poden ter un comportamento máis complicado que esta simple acción de aceso e apagado, debido ás súas características de corrente-tensión non lineal.[5] Por exemplo, a caída de tensión en dirección directa dun díodo varía moi pouco coa corrente, e máis en función da temperatura; este efecto pode utilizarse como sensor de temperatura ou como referencia de tensión. E a súa alta resistencia á corrente que flúe en sentido inverso cae repentinamente a unha baixa resistencia cando a tensión inversa a través do díodo alcanza un valor chamado tensión de ruptura. Os díodos semiconductores na dirección de avance tamén necesitan superar unha voltaxe limiar antes de poder conducir electricidade.
A característica corrente-tensión dun díodo semicondutor pode adaptarse seleccionando os materiais semiconductores e as impurezas dopantes introducidas nos materiais durante a fabricación.[5] Estas técnicas utilízanse para crear díodos especiais que desempeñan moitas funcións distintas.[5] Por exemplo, os díodos utilízanse para regular a tensión (diodo Zeners), para protexer circuítos de sobretensións (diodo de avalanchas), para sintonizar electronicamente receptores de radio e televisión (Diodo Varicap), para xerar radiofrecuencia oscilacións (díodo túnel, díodo Gunn, diodo IMPATTs) e para producir luz (díodo emisor de luz). (díodo túnel, díodo Gunn, díodo IMPATT) e para producir luz ([[díodo emisor de luz]). Os díodos de túnel, Gunn e IMPATT presentan resistencia negativa, o que resulta útil en microondas e circuítos de conmutación.
Os díodos, tanto sen carga como semiconductores, poden utilizarse como xeradores de ruído de disparo.
Remove ads
Aínda que todos os díodos rectifican, "rectificador" adoita aplicarse aos díodos utilizados para a alimentación eléctrica, para diferencialos dos díodos destinados a circuítos de pequeno sinal.
Na época da súa invención, os dispositivos de condución asimétrica coñecíanse como rectificadores. En 1919, o ano en que se inventaron os tetrodos, William Henry Eccles acuñou o termo diodo a partir das raíces gregas dei (de δί), que significa 'dúas', e ode (de οδός), que significa 'camiño'. Con todo, a palabra diodo xa se utilizaba, do mesmo xeito que triodo, tetrodo, pentodo, hexodo', como termos de [[[telegrafía]] múltiple.[6]
Aínda que todos os díodos rectifican, "rectificador' adoita aplicarse aos díodos utilizados para alimentación eléctrica, para diferencialos dos díodos destinados a circuítos de pouca sinal.
Remove ads
Aínda que o díodo semicondutor de estado sólido popularizouse antes do díodo termoiónico, ambos se desenvolveron ao mesmo tempo.
En 1873 Frederick Guthrie descubriu o principio de operación dos díodos térmicos. Guhtrie descubriu que un electroscopio cargado positivamente podía descargarse ao achegarse unha peza de metal quente, sen necesidade de que este o tocase. Non sucedía o mesmo cun electroscopio cargado negativamente, reflectindo isto que o fluxo de corrente era posible soamente nunha dirección.
Independentemente, o 13 de febreiro de 1880 Thomas Edison redescobre o principio. Á súa vez, Edison investigaba por que os filamentos de carbón das lámpada se queimaban ao final do terminal positivo. El construíra unha lámpada cun filamento adicional e unha cunha lámina metálica dentro da lámpada, electricamente illada do filamento. Cando usou este dispositivo, confirmou que unha corrente fluía do filamento incandescente a través do baleiro á lámina metálica, pero isto só sucedía cando a lámina estaba conectada positivamente.
Edison deseñou un circuíto que substitúe a lámpada por un resistor cun voltímetro de corrente continua, e obtivo unha patente para este invento en 1884. Aparentemente non tiña uso práctico para esa época. Polo cal, a patente era probablemente para precaución, no caso de que alguén atopase un uso ao chamado efecto Edison.
Aproximadamente 20 anos despois, John Ambrose Fleming (científico asesor de Marconi Company e antigo empregado de Edison) deuse conta que o efecto Edison podería usarse como un radio detector de precisión. Fleming patentou o primeiro díodo termoiónico en Gran Bretaña o 16 de novembro de 1904.
En 1874 o científico alemán Karl Ferdinand Braun descubriu a natureza de conducir por unha soa dirección dos cristais semicondutores. Braun patentou o rectificador de cristal en 1899. Os rectificadores de óxido de cobre e selenio foron desenvolvidos para aplicacións de alta potencia na década de 1930.
O científico indio Jagdish Chandra Bose foi o primeiro en usar un cristal semicondutor para detectar ondas de radio en 1894. O detector de cristal semicondutor foi desenvolvido nun dispositivo práctico para a recepción de sinais inalámbricas por Greenleaf Whittier Pickard, quen inventou un detector de cristal de silicio en 1903 e recibiu unha patente diso o 20 de novembro de 1906. Outros experimentos probaron con gran variedade de substancias, das cales usouse amplamente o mineral galena. Outras substancias ofreceron un rendemento lixeiramente maior, pero o galena foi o que máis se usou porque tiña a vantaxe de ser barato e fácil de obter. Ao principio da era da radio, o detector de cristal semicondutor consistía dun cable axustable (o moi nomeado bigote de gato) o cal podíase mover manualmente a través do cristal para así obter un sinal óptima. Este dispositivo problemático foi rapidamente superado polos díodos termoiónicos, aínda que o detector de cristal semicondutor volveu usarse frecuentemente coa chegada dos económicos díodos de xermanio na década de 1950.
Na época da súa invención, estes dispositivos foron coñecidos como rectificadores. En 1919, William Henry Eccles acuñou o termo díodo do grego dia, que significa separado, e ode (de ὅδος), que significa camiño.
Remove ads
.JPG)
Un díodo termoiónico é un dispositivo termoiónico (tamén coñecida como tubo sen carga) formado por unha envoltura metálica ou de vidro selada e evacuada que contén dous eléctrodos: un cátodo e unha placa. O cátodo quéntase "indirectamente" ou "directamente". Se se emprega quecemento indirecto, inclúese un quentador na envoltura. Os primeiros modelos eran moi parecidos á lámpada incandescente.
En funcionamento, o cátodo quéntase a roxo vivo, ao redor de 800-1000 °C. Un cátodo quentado directamente está feito de arame de volframio e é quentado por unha corrente que pasa a través del desde unha fonte de tensión externa. Un cátodo quentado indirectamente é quentado pola radiación infravermella dun quentador próximo que está formado por arame de nicromo e alimentado con corrente proporcionada por unha fonte de tensión externa.
A temperatura de funcionamento do cátodo fai que este libere electróns ao baleiro, proceso denominado emisión termoiónica. O cátodo está recuberto de óxidos de metais alcalinotérreos , como óxidos de bario e estroncio
O cátodo está recuberto de óxidos de metais alcalinotérreos, como óxidos de bario e estroncio. Estes teñen unha función de traballo baixa, o que significa que emiten electróns máis facilmente que o cátodo sen recubrimento.
A placa, ao non quentarse, non emite electróns, pero pode absorbelos.
A tensión alterna a rectificar aplícase entre o cátodo e a placa. Cando a tensión da placa é positiva con respecto ao cátodo, a placa electrostáticamente atrae os electróns do cátodo, polo que unha corrente de electróns flúe a través do tubo desde o cátodo á placa. Cando a voltaxe da placa é negativa con respecto ao cátodo, a placa non emite electróns, polo que non pode pasar corrente da placa ao cátodo.
Na maior parte do século xx, os díodos de válvula termoiónica usáronse en aplicacións de sinais análogos, rectificadores e potencia. Actualmente, os díodos de válvula soamente se usan en aplicacións exclusivas como rectificadores en guitarras eléctricas, amplificadores de son, así como equipo especializado de alta tensión.
Remove ads
Un díodo semicondutor moderno está feito de cristal semicondutor coma o silicio con impurezas nel para crear unha rexión que conteña portadores de carga negativa (electróns), chamada semicondutor de tipo n, e unha rexión no outro lado que conteña portadores de carga positiva (ocos), chamada semicondutor tipo p. Os terminais do díodo únense a cada rexión. O límite dentro do cristal destas dúas rexións, chamado unha unión PN, é onde a importancia do díodo toma o seu lugar. O cristal conduce unha corrente de electróns ao lado n (chamado cátodo), pero non na dirección oposta; é dicir, cando unha corrente convencional flúe do ánodo ao cátodo (oposto ao fluxo dos electróns).
Ao unir ambos os cristais, maniféstase unha difusión de electróns do cristal n ao p (Je). Ao establecerse unha corrente de difusión, aparecen cargas fixas nunha zona a ambos os dous lados da unión, zona que recibe o nome de rexión de esgotamento.
A medida que progresa o proceso de difusión, a rexión de esgotamento vai incrementando a súa anchura profundando nos cristais a ambos os dous lados da unión. Con todo, a acumulación de ións positivos na zona n e de ións negativos na zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre os electróns libres da zona n cunha determinada forza de desprazamento, que se opoñerá á corrente de electróns e terminará deténdoos.
Este campo eléctrico é equivalente a dicir que aparece unha diferenza de tensión entre as zonas p e n. Esta diferenza de potencial (VD) é de 0,7 V no caso do silicio e 0,3 V para os cristais de xermanio.[Cómpre referencia]
A anchura da rexión de esgotamento unha vez alcanzado o equilibrio, adoita ser da orde de 0,5 micrómetros pero cando un dos cristais está moito máis dopado que o outro, a zona de carga espacial é moito maior.
Cando se somete ao díodo a unha diferenza de tensión externa, dise que o díodo está polarizado, podendo ser a polarización directa ou inversa.
Polarización directa dun díodo
Neste caso, a batería diminúe a barreira potencial da zona de carga espacial, permitindo o fluxo de electróns a través da unión; É dicir, o díodo polarizado conduce directamente a electricidade.
Para que un díodo poida ser polarizado directamente, o polo positivo da batería debe estar conectado ao ánodo do díodo e ao polo negativo ao cátodo. Nestas condicións podemos observar que:
- O polo negativo da batería repele os electróns libres do cristal n, cos que estes electróns están dirixidos cara á unión p-n.
- O polo positivo da batería atrae os electróns de valencia do cristal p, isto equivale a dicir que empuxa os furados cara á unión p-n.
- Cando a diferenza de potencial entre os terminais da batería é maior que a posible diferenza na área de carga espacial, os electróns libres do cristal n, adquiren enerxía suficiente para saltar nos orificios do cristal p, que previamente cambiaron cara á unión pn.
- Unha vez que un electrón libre da zona n salta á zona p pola zona de carga espacial, cae nun dos múltiples buracos da zona p converténdose nun electrón de valencia. Unha vez que isto ocorre, o electrón é atraído polo polo positivo da batería e desprazase de átomo a átomo ata que alcanza o extremo do cristal p, desde o que entra no fío condutor e alcanza a batería.
Deste xeito, coa batería que proporciona electróns libres á zona n e atraendo electróns de valencia da zona p, a corrente eléctrica constante aparece ao final a través do díodo.
Polarización inversa dun díodo
Neste caso, o polo negativo da batería conéctase á zona p e o polo positivo á zona n, o que fai aumentar a zona de carga espacial, e a tensión na devandita zona ata que se alcanza o valor da tensión da batería, tal e como se explica a continuación:
- O polo positivo da batería atrae os electróns libres da zona n, os cales saen do cristal n e introdúcense no condutor dentro do cal se desprazan ata chegar á batería. A medida que os electróns libres abandonan a zona n, os átomos pentavalentes que antes eran neutros, ao verse desprendidos do seu electrón no orbital de condución, adquiren estabilidade (8 electróns na capa de valencia, ver semicondutor e átomo) e unha carga eléctrica neta de +1, co que se converten en ións positivos.
- O polo negativo da batería cede electróns libres aos átomos trivalentes da zona p. Lembremos que estes átomos só teñen 3 electróns de valencia, co que unha vez que formaron as ligazóns covalentes cos átomos de silicio, teñen soamente 7 electróns de valencia, sendo o electrón que falta o denominado oco. O caso é que cando os electróns libres cedidos pola batería entran na zona p, caen dentro destes ocos co que os átomos trivalentes adquiren estabilidade (8 electróns na súa orbital de valencia) e unha carga eléctrica neta de -1, converténdose así en ións negativos.
- Este proceso repítese unha e outra vez ata que a zona de carga espacial adquire o mesmo potencial eléctrico que a batería.
Nesta situación, o díodo non debería conducir a corrente; con todo, debido o efecto da temperatura formaranse pares electrón-oco (ver semicondutor) a ambos os dous lados da unión producindo unha pequena corrente (da orde de 1 μA) denominada corrente inversa de saturación. Ademais, existe tamén unha denominada corrente superficial de fugas a cal, como o seu propio nome indica, conduce unha pequena corrente pola superficie do díodo; xa que na superficie, os átomos de silicio non están rodeados de suficientes átomos para realizar os catro enlaces covalentes necesarios para obter estabilidade. Isto fai que os átomos da superficie do díodo, tanto da zona n como da p, teñan ocos no seu orbital de valencia co que os electróns circulan sen dificultade a través deles. Con todo, do mesmo xeito que a corrente inversa de saturación, a corrente superficial de fuga é usualmente desprezable
Curva característica do díodo
.png)
- Tensión limiar, de cóbado ou de partida (Vγ ).
A tensión limiar (tamén chamada barreira de potencial) de polarización directa coincide en valor coa tensión da zona de carga espacial do díodo non polarizado. Ao polarizar directamente o díodo, a barreira de potencial inicial vaise reducindo, incrementando a corrente lixeiramente, ao redor do 1 % da nominal. Con todo, cando a tensión externa supera a tensión limiar, a barreira de potencial desaparece, de forma que para pequenos incrementos de tensión prodúcense grandes variacións da intensidade de corrente. - Corrente máxima (Imax ).
É a intensidade de corrente máxima que pode conducir o díodo sen fundirse polo efecto Joule. Dado que é función da cantidade de calor que pode disipar o díodo, depende sobre todo do deseño do mesmo. - Corrente inversa de saturación (Is ).
É a pequena corrente que se establece ao polarizar inversamente o díodo pola formación de pares electrón-oco debido á temperatura, admitíndose que se duplica por cada incremento de 10 °C na temperatura. - Corrente superficial de fugas.
É a pequena corrente que circula pola superficie do díodo (ver polarización inversa), esta corrente é función da tensión aplicada ao díodo, co que ao aumentar a tensión, aumenta a corrente superficial de fugas. - Tensión de ruptura (Vr ).
É a tensión inversa máxima que o díodo pode soportar antes de darse o efecto avalancha.
Teoricamente, ao polarizar inversamente o díodo, leste conducirá a corrente inversa de saturación; na realidade, a partir dun determinado valor da tensión, no díodo normal ou de unión abrupta a ruptura débese para o efecto avalancha; con todo hai outro tipo de díodos, como os Zener, nos que a ruptura pode deberse a dous efectos:
- Efecto avalancha (díodos pouco dopados). En polarización inversa xéranse pares electrón-oco que provocan a corrente inversa de saturación; se a tensión inversa é elevada os electróns aceléranse incrementando a súa enerxía cinética de forma que ao chocar con electróns de valencia poden provocar o seu salto á banda de condución. Estes electróns liberados, á súa vez, aceléranse por efecto da tensión, chocando con máis electróns de valencia e liberándoos á súa vez. O resultado é unha avalancha de electróns que provoca unha corrente grande. Este fenómeno prodúcese para valores da tensión superiores a 6 V.
- Efecto Zener (díodos moi dopados). Canto máis dopado está o material, menor é a anchura da zona de carga. Posto que o campo eléctrico E pode expresarse como cociente da tensión V entre distánciaa d; cando o díodo estea moi dopado, e por tanto d sexa pequeno, o campo eléctrico será grande, da orde de 3·105 V/cm. Nestas condicións, o propio campo pode ser capaz de arrincar electróns de valencia incrementándose a corrente. Este efecto prodúcese para tensións de 4 V ou menores.
Para tensións inversas entre 4 e 6 V a ruptura destes díodos especiais, como os Zener, pódese producir por ambos os efectos.
Modelos matemáticos
O modelo matemático máis empregado é o de Shockley (en honra a William Bradford Shockley) que permite aproximar o comportamento do díodo na maioría das aplicacións. A ecuación que relaciona a intensidade de corrente e a diferenza de potencial é:
Onde:
- I é a intensidade da corrente que atravesa o díodo
- VD é a diferenza de tensión entre os seus extremos.
- IS é a corrente de saturación (aproximadamente )
- n é o coeficiente de emisión, dependente do proceso de fabricación do díodo e que adoita adoptar valores entre 1 (para o xermanio) e da orde de 2 (para o silicio).
A voltaxe térmica VT é aproximadamente 25.85 mV en 300 K, unha temperatura próxima á temperatura ambiente, moi usada nos programas de simulación de circuítos. Para cada temperatura existe unha constante coñecida definida por:
Onde k é a constante de Boltzmann, T é a temperatura absoluta da unión pn, e q é a magnitude da carga dun electrón (a carga elemental).
A ecuación de díodo ideal de Shockley ou a lei de díodo derívase de asumir que só os procesos que lle dan corrente ao díodo son polo fluxo (debido ao campo eléctrico), difusión, e a recombinación térmica. Tamén asume que a corrente de recombinación na rexión de esgotamento é insignificante. Isto significa que a ecuación de Shockley non ten en conta os procesos relacionados coa rexión de ruptura e indución por fotóns. Adicionalmente, non describe a estabilización da curva I-V en polarización activa debido á resistencia interna.
Baixo voltaxes negativas, a exponencial na ecuación do díodo é insignificante. e a corrente é unha constante negativa do valor de Issub>. A rexión de ruptura non está modelada na ecuación de díodo de Shockley.
Para voltaxes grandes, na rexión de polarización directa, pódese eliminar o 1 da ecuación, quedando como resultado:
Con obxecto de evitar o uso de exponenciais, en ocasións empréganse modelos aínda máis simples, que modelan as zonas de funcionamento do díodo por tramos rectos; son os chamados modelos de continua ou de Ram-sinal. O máis simple de todos é o díodo ideal.
Remove ads
Existen varios tipos de díodos, que poden diferir no seu aspecto físico, impurezas, uso de eléctrodos, que teñen características eléctricas particulares usados para unha aplicación especial nun circuíto. O funcionamento destes díodos é fundamentado por principios da mecánica cuántica e teoría de bandas.
Os díodos normais, os cales operan como se describía máis arriba, fanse xeralmente de silicio dopado ou xermanio. Antes do desenvolvemento destes díodos rectificadores de silicio, usábase o óxido cuproso e o selenio: a súa baixa eficiencia deulle unha caída de tensión moi alta (desde 1,4 a 1,7 V) e requirían dunha gran disipación de calor moito máis grande que un díodo de silicio. A gran maioría dos díodos pn atópanse en circuítos integrados CMOS, que inclúen dous díodos por pin e moitos outros díodos internos.
- Díodo avalancha (TVS): Díodos que conducen en dirección contraria cando a voltaxe en inverso supera a voltaxe de ruptura, tamén se coñecen como díodos TVS. Electricámente son similares aos díodos Zener, pero funciona baixo outro fenómeno, o efecto avalancha. Isto sucede cando o campo eléctrico inverso que atravesa a unión p-n produce unha onda de ionización, similar a unha avalancha, producindo unha corrente. Os díodos avalancha están deseñados para operar nunha voltaxe inversa definida sen que se destrúa. A diferenza entre o díodo avalancha (o cal ten unha voltaxe de reversa de aproximadamente 6.2 voltios) e o díodo zener é que o ancho da canle do primeiro excede a libre asociación» dos electróns, polo que se producen colisións entre eles no camiño. A única diferenza práctica é que os dous teñen coeficientes de temperatura de polaridades opostas (a disipación de calor máxima é maior nun díodo zener, é por iso que estes se empregan principalmente en circuítos reguladores de tensión).
- Diodo de silicio: Adoitan ter un tamaño milimétrico e, aliñados, constitúen detectores multicanle que permiten obter espectros en milisegundos. Son menos sensibles que os fotomultiplicadores. É un semiconductor de tipo p (con ocos) en contacto cun semiconductor de tipo n (electróns). A radiación comunica a enerxía para liberar os electróns que se desprazan cara aos ocos, establecendo unha corrente eléctrica proporcional á potencia radiante.
Remove ads
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
Remove ads