Diodo

Diodo

Vista en primer plano de un diodo de silicio. El ánodo está en el lado derecho y el cátodo en el lado izquierdo (donde está marcado con una banda negra). El cristal de silicio cuadrado se puede ver entre los dos cables.
Tipo	Pasivo
Configuración de pines	Ánodo y cátodo
Símbolo electrónico

Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que conduce corriente principalmente en una dirección ( conductancia asimétrica ). Tiene una resistencia baja (idealmente cero) en una dirección y una resistencia alta (idealmente infinita) en la otra.

Un diodo semiconductor , el tipo más utilizado hoy en día, es una pieza cristalina de material semiconductor con una unión p-n conectada a dos terminales eléctricas. ^[4] Tiene una característica de corriente-voltaje exponencial . Los diodos semiconductores fueron los primeros dispositivos electrónicos semiconductores . El físico alemán Ferdinand Braun descubrió la conducción eléctrica asimétrica a través del contacto entre un mineral cristalino y un metal en 1874. Hoy en día, la mayoría de los diodos están hechos de silicio , pero también se utilizan otros materiales semiconductores como el arseniuro de galio y el germanio . ^[5]

El obsoleto diodo termoiónico es un tubo de vacío con dos electrodos , un cátodo calentado y una placa , en el que los electrones sólo pueden fluir en una dirección, desde el cátodo a la placa.

Entre sus múltiples usos, los diodos se encuentran en rectificadores para convertir la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC), en la demodulación de receptores de radio e incluso pueden utilizarse para lógica o como sensores de temperatura . Una variante común de un diodo es el diodo emisor de luz , que se utiliza como iluminación eléctrica e indicadores de estado en dispositivos electrónicos.

La función más común de un diodo es permitir que una corriente eléctrica pase en una dirección (llamada dirección directa del diodo ), mientras que la bloquea en la dirección opuesta ( dirección inversa ). Su analogía hidráulica es una válvula de retención . Este comportamiento unidireccional puede convertir la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC), un proceso llamado rectificación . Como rectificadores, los diodos se pueden utilizar para tareas como extraer modulación de señales de radio en receptores de radio .

El comportamiento de un diodo a menudo se simplifica como tener un voltaje umbral directo o voltaje de encendido o voltaje de corte , por encima del cual hay una corriente significativa y por debajo del cual casi no hay corriente, lo que depende de la composición de un diodo:

Este voltaje puede denominarse de manera general simplemente caída de voltaje directo del diodo o simplemente caída de voltaje , ya que una consecuencia de la pendiente del exponencial es que la caída de voltaje de un diodo no excederá significativamente el voltaje umbral en condiciones normales de operación de polarización directa. Las hojas de datos generalmente indican un voltaje directo típico o máximo (V _F ) para una corriente y temperatura específicas (por ejemplo, 20 mA y 25  ° C para LED), ^[6] por lo que el usuario tiene una garantía sobre cuándo entrará en acción una cierta cantidad de corriente. A corrientes más altas, la caída de voltaje directo del diodo aumenta. Por ejemplo, una caída de 1 V a 1,5 V es típica a la corriente nominal completa para diodos de potencia de silicio. (Véase también: Rectificador § Caída de voltaje del rectificador )

Sin embargo, la característica exponencial corriente-voltaje de un diodo semiconductor es en realidad más gradual que esta simple acción de encendido-apagado. ^[7] Aunque una función exponencial puede parecer tener un " codo " definido alrededor de este umbral cuando se observa en una escala lineal, el codo es una ilusión que depende de la escala del eje y que representa la corriente. En un gráfico semilogarítmico (que utiliza una escala logarítmica para la corriente y una escala lineal para el voltaje), la curva exponencial del diodo parece más bien una línea recta.

Dado que la caída de tensión directa de un diodo varía sólo un poco con la corriente y es más bien una función de la temperatura, este efecto se puede utilizar como un sensor de temperatura o como una referencia de tensión algo imprecisa .

La alta resistencia de un diodo a la corriente que fluye en dirección inversa cae repentinamente a una resistencia baja cuando el voltaje inverso a través del diodo alcanza un valor llamado voltaje de ruptura . Este efecto se utiliza para regular el voltaje ( diodos Zener ) o para proteger circuitos de picos de alto voltaje ( diodos de avalancha ).

La característica de corriente-voltaje de un diodo semiconductor se puede adaptar seleccionando los materiales semiconductores y las impurezas dopantes introducidas en los materiales durante la fabricación. ^[7] Estas técnicas se utilizan para crear diodos de propósito especial que realizan muchas funciones diferentes. ^[7] Por ejemplo, para sintonizar electrónicamente receptores de radio y TV ( diodos varactores ), para generar oscilaciones de radiofrecuencia ( diodos túnel , diodos Gunn , diodos IMPATT ) y para producir luz ( diodos emisores de luz ). Los diodos túnel, Gunn e IMPATT exhiben resistencia negativa , que es útil en circuitos de microondas y de conmutación.

Los diodos, tanto de vacío como semiconductores, se pueden utilizar como generadores de ruido de disparo .

Los diodos termoiónicos ( de tubo de vacío ) y los diodos de estado sólido (semiconductores) se desarrollaron por separado, aproximadamente al mismo tiempo, a principios del siglo XX, como detectores de receptores de radio . ^[8] Hasta la década de 1950, los diodos de vacío se usaban con más frecuencia en radios porque los primeros diodos semiconductores de contacto puntual eran menos estables. Además, la mayoría de los equipos receptores tenían tubos de vacío para amplificación que podían tener fácilmente los diodos termoiónicos incluidos en el tubo (por ejemplo, el triodo de doble diodo 12SQ7 ), y los rectificadores de tubo de vacío y los rectificadores llenos de gas eran capaces de manejar algunas tareas de rectificación de alto voltaje/alta corriente mejor que los diodos semiconductores (como los rectificadores de selenio ) que estaban disponibles en ese momento.

En 1873, Frederick Guthrie observó que una bola de metal al rojo vivo conectada a tierra y colocada cerca de un electroscopio descargaría un electroscopio cargado positivamente, pero no uno cargado negativamente. ^{[9] [10]} En 1880, Thomas Edison observó una corriente unidireccional entre elementos calentados y no calentados en una bombilla, más tarde llamada efecto Edison , y se le concedió una patente sobre la aplicación del fenómeno para su uso en un voltímetro de CC . ^{[11] [12]} Unos 20 años después, John Ambrose Fleming (asesor científico de la Compañía Marconi y ex empleado de Edison) se dio cuenta de que el efecto Edison podía utilizarse como detector de radio . Fleming patentó el primer diodo termoiónico verdadero, la válvula Fleming , en Gran Bretaña el 16 de noviembre de 1904 ^[13] (seguida por la patente estadounidense 803.684 en noviembre de 1905). Durante la era de los tubos de vacío, los diodos de válvulas se utilizaron en casi todos los aparatos electrónicos, como radios, televisores, sistemas de sonido e instrumentación. Poco a poco fueron perdiendo cuota de mercado a partir de finales de los años 40 debido a la tecnología de rectificadores de selenio y, luego, a los diodos semiconductores durante los años 60. Hoy en día, todavía se utilizan en algunas aplicaciones de alta potencia donde su capacidad para soportar voltajes transitorios y su robustez les da una ventaja sobre los dispositivos semiconductores, y en aplicaciones para instrumentos musicales y audiófilos.

En 1874, el científico alemán Karl Ferdinand Braun descubrió la "conducción unilateral" a través de un contacto entre un metal y un mineral . ^{[14] [15]} El científico indio Jagadish Chandra Bose fue el primero en utilizar un cristal para detectar ondas de radio en 1894. ^[16] El detector de cristal fue desarrollado como un dispositivo práctico para la telegrafía inalámbrica por Greenleaf Whittier Pickard , quien inventó un detector de cristal de silicio en 1903 y recibió una patente para él el 20 de noviembre de 1906. ^[17] Otros experimentadores probaron una variedad de otros minerales como detectores. Los principios de semiconductores eran desconocidos para los desarrolladores de estos primeros rectificadores. Durante la década de 1930, la comprensión de la física avanzó y, a mediados de la década de 1930, los investigadores de Bell Telephone Laboratories reconocieron el potencial del detector de cristal para su aplicación en la tecnología de microondas. ^[18] Los investigadores de Bell Labs , Western Electric , MIT , Purdue y en el Reino Unido desarrollaron intensamente diodos de contacto puntual ( rectificadores de cristal o diodos de cristal ) durante la Segunda Guerra Mundial para su aplicación en el radar. ^[18] Después de la Segunda Guerra Mundial, AT&T los utilizó en sus torres de microondas que cruzaban los Estados Unidos, y muchos equipos de radar los utilizan incluso en el siglo XXI. En 1946, Sylvania comenzó a ofrecer el diodo de cristal 1N34. ^{[19] [20] [21]} A principios de la década de 1950, se desarrollaron los diodos de unión.

En 2022 se logró el primer efecto de diodo superconductor sin campo magnético externo . ^[22]

En el momento de su invención, los dispositivos de conducción asimétrica se conocían como rectificadores . En 1919, el año en que se inventaron los tetrodos , William Henry Eccles acuñó el término diodo a partir de las raíces griegas di (de δί ), que significa 'dos', y oda (de οδός ), que significa 'camino'. Sin embargo, la palabra diodo ya se utilizaba, al igual que triodo , tetrodo , pentodo y hexodo , como términos de telegrafía multiplex . ^[23]

Aunque todos los diodos rectifican , "rectificador" generalmente se aplica a los diodos utilizados para suministro de energía , para diferenciarlos de los diodos destinados a circuitos de señales pequeñas .

Diodo termoiónico

Un diodo de vacío de alta potencia utilizado en equipos de radio como rectificador .
Tipo	Termiónico
Configuración de pines	Placa y cátodo , calentador (si se calienta indirectamente)
Símbolo electrónico
Símbolo de un diodo de tubo de vacío calentado indirectamente. De arriba a abajo, los nombres de los elementos son: placa , cátodo y calentador .

Un diodo termoiónico es un dispositivo de válvula termoiónica que consiste en una envoltura de vidrio o metal sellada y evacuada que contiene dos electrodos : un cátodo y una placa . El cátodo se calienta indirectamente o directamente . Si se utiliza calentamiento indirecto, se incluye un calentador en la envoltura.

En funcionamiento, el cátodo se calienta hasta alcanzar el rojo intenso , alrededor de 800–1000 °C (1470–1830 °F). Un cátodo calentado directamente está hecho de alambre de tungsteno y se calienta mediante una corriente que pasa a través de él desde una fuente de voltaje externa. Un cátodo calentado indirectamente se calienta mediante radiación infrarroja de un calentador cercano que está formado por alambre de nicromo y al que se le suministra corriente proporcionada por una fuente de voltaje externa.

La temperatura de funcionamiento del cátodo hace que libere electrones en el vacío, un proceso llamado emisión termoiónica . El cátodo está recubierto con óxidos de metales alcalinotérreos , como óxidos de bario y estroncio . Estos tienen una función de trabajo baja , lo que significa que emiten electrones con mayor facilidad que el cátodo sin recubrimiento.

La placa, al no calentarse, no emite electrones, pero es capaz de absorberlos.

La tensión alterna que se desea rectificar se aplica entre el cátodo y la placa. Cuando la tensión de la placa es positiva con respecto al cátodo, la placa atrae electrostáticamente los electrones del cátodo, por lo que una corriente de electrones fluye a través del tubo desde el cátodo hasta la placa. Cuando la tensión de la placa es negativa con respecto al cátodo, la placa no emite electrones, por lo que no puede pasar corriente de la placa al cátodo.

Los diodos de contacto puntual se desarrollaron a partir de la década de 1930, a partir de la tecnología temprana del detector de cristal , y ahora se utilizan generalmente en el rango de 3 a 30 gigahercios. ^{[18] [24] [25] [26]} Los diodos de contacto puntual utilizan un cable metálico de diámetro pequeño en contacto con un cristal semiconductor, y son de tipo de contacto no soldado o de tipo de contacto soldado . La construcción de contacto no soldado utiliza el principio de barrera Schottky. El lado metálico es el extremo puntiagudo de un cable de diámetro pequeño que está en contacto con el cristal semiconductor. ^[27] En el tipo de contacto soldado, se forma una pequeña región P en el cristal de tipo N alrededor del punto metálico durante la fabricación al pasar momentáneamente una corriente relativamente grande a través del dispositivo. ^{[28] [29]} Los diodos de contacto puntual generalmente exhiben menor capacitancia, mayor resistencia directa y mayor fuga inversa que los diodos de unión.

Un diodo de unión p-n está hecho de un cristal de semiconductor , generalmente silicio, pero también se utilizan germanio y arseniuro de galio . Se le agregan impurezas para crear una región en un lado que contiene portadores de carga negativa (electrones), llamada semiconductor de tipo n , y una región en el otro lado que contiene portadores de carga positiva ( huecos ), llamada semiconductor de tipo p . Cuando los materiales de tipo n y tipo p se unen, se produce un flujo momentáneo de electrones desde el lado n al p, lo que da como resultado una tercera región entre los dos donde no hay portadores de carga presentes. Esta región se llama región de agotamiento porque no hay portadores de carga (ni electrones ni huecos) en ella. Los terminales del diodo están unidos a las regiones de tipo n y tipo p. El límite entre estas dos regiones, llamado unión p-n , es donde tiene lugar la acción del diodo. Cuando se aplica un potencial eléctrico suficientemente mayor al lado P (el ánodo ) que al lado N (el cátodo ), permite que los electrones fluyan a través de la región de agotamiento desde el lado de tipo N al lado de tipo P. La unión no permite el flujo de electrones en la dirección opuesta cuando el potencial se aplica en sentido inverso, creando, en cierto sentido, una válvula de retención eléctrica .

Otro tipo de diodo de unión, el diodo Schottky , se forma a partir de una unión metal-semiconductor en lugar de una unión ap-n, lo que reduce la capacitancia y aumenta la velocidad de conmutación. ^{[30] [31]}

El comportamiento de un diodo semiconductor en un circuito está determinado por su característica de corriente-voltaje . La forma de la curva está determinada por el transporte de portadores de carga a través de la llamada capa de agotamiento o región de agotamiento que existe en la unión p-n entre diferentes semiconductores. Cuando se crea por primera vez una unión p-n, los electrones de la banda de conducción (móviles) de la región dopada con N se difunden hacia la región dopada con P , donde hay una gran población de huecos (lugares vacantes para electrones) con los que los electrones se "recombinan". Cuando un electrón móvil se recombina con un hueco, tanto el hueco como el electrón desaparecen, dejando atrás un donante inmóvil con carga positiva (dopante) en el lado N y un aceptor con carga negativa (dopante) en el lado P. La región alrededor de la unión p-n se queda sin portadores de carga y, por lo tanto, se comporta como un aislante .

Sin embargo, el ancho de la región de agotamiento (denominada ancho de agotamiento ) no puede crecer sin límite. Por cada recombinación de par electrón-hueco que se realiza, se deja un ion dopante con carga positiva en la región dopada con N y se crea un ion dopante con carga negativa en la región dopada con P. A medida que avanza la recombinación y se crean más iones, se desarrolla un campo eléctrico creciente a través de la zona de agotamiento que actúa para frenar y finalmente detener la recombinación. En este punto, hay un potencial "incorporado" a lo largo de la zona de agotamiento.

Si se coloca un voltaje externo a través del diodo con la misma polaridad que el potencial incorporado, la zona de agotamiento continúa actuando como un aislante, impidiendo cualquier flujo significativo de corriente eléctrica (a menos que se estén creando activamente pares electrón-hueco en la unión, por ejemplo, mediante la luz; ver fotodiodo ).

Sin embargo, si la polaridad del voltaje externo se opone al potencial incorporado, la recombinación puede continuar nuevamente, dando como resultado una corriente eléctrica sustancial a través de la unión p–n (es decir, una cantidad sustancial de electrones y huecos se recombinan en la unión) que aumenta exponencialmente con el voltaje.

La característica de corriente-voltaje de un diodo se puede representar de forma aproximada mediante cuatro regiones operativas. De menor a mayor voltaje de polarización, estas son:

• Ruptura : Con una polarización inversa muy grande, más allá del voltaje inverso pico (PIV), se produce un proceso llamado ruptura inversa que causa un gran aumento en la corriente (es decir, se crea una gran cantidad de electrones y huecos en la unión p-n y se alejan de ella) que generalmente daña el dispositivo de forma permanente. El diodo de avalancha está diseñado deliberadamente para usarse de esa manera. En el diodo Zener , el concepto de PIV no es aplicable. Un diodo Zener contiene una unión p-n altamente dopada que permite que los electrones hagan un túnel desde la banda de valencia del material de tipo p hasta la banda de conducción del material de tipo n, de modo que el voltaje inverso se "fija" a un valor conocido (llamado voltaje Zener ) y no se produce la avalancha. Sin embargo, ambos dispositivos tienen un límite para la corriente y la potencia máximas que pueden soportar en la región de voltaje inverso fijado. Además, después del final de la conducción directa en cualquier diodo, hay corriente inversa durante un breve tiempo. El dispositivo no alcanza su capacidad de bloqueo total hasta que cesa la corriente inversa.
• Polarización inversa : para una polarización entre la ruptura y 0 V, la corriente inversa es muy pequeña y se aproxima asintóticamente a - I _s . Para un diodo rectificador P–N normal, la corriente inversa a través del dispositivo está en el rango de microamperios (μA). Sin embargo, esto depende de la temperatura y, a temperaturas suficientemente altas, se puede observar una cantidad sustancial de corriente inversa (mA o más). También hay una pequeña corriente de fuga superficial causada por electrones que simplemente giran alrededor del diodo como si fuera un aislante imperfecto.

  

• Polarización directa : la curva de corriente-voltaje es exponencial y se aproxima a la ecuación del diodo Shockley . Cuando se traza utilizando una escala de corriente lineal, aparece un " codo " suave, pero no se observa ningún voltaje umbral claro en un gráfico semilogarítmico.
• Nivelación : con corrientes directas mayores, la curva corriente-voltaje comienza a estar dominada por la resistencia óhmica del semiconductor en masa. La curva ya no es exponencial, sino asintótica a una línea recta cuya pendiente es la resistencia en masa. Esta región es particularmente importante para los diodos de potencia y se puede modelar mediante un diodo ideal de Shockley en serie con una resistencia fija.

La ecuación del diodo ideal de Shockley o ley del diodo (que recibe su nombre del coinventor del transistor de unión bipolar William Bradford Shockley ) modela la relación exponencial corriente-voltaje (I–V) de los diodos en polarización directa o inversa moderada. El artículo Shockley diode equation proporciona más detalles.

Con voltajes directos menores que el voltaje de saturación, la curva característica de voltaje versus corriente de la mayoría de los diodos no es una línea recta. La corriente se puede aproximar como se explica en el artículo sobre la ecuación del diodo Shockley .${\displaystyle I=I_{\text{S}}e^{V_{\text{D}}/(nV_{\text{T}})}}$

En aplicaciones de detectores y mezcladores, la corriente se puede estimar mediante una serie de Taylor. ^[32] Los términos impares se pueden omitir porque producen componentes de frecuencia que están fuera de la banda de paso del mezclador o detector. Los términos pares más allá de la segunda derivada normalmente no necesitan incluirse porque son pequeños en comparación con el término de segundo orden. ^[32] El componente de corriente deseado es aproximadamente proporcional al cuadrado del voltaje de entrada, por lo que la respuesta se denomina ley cuadrática en esta región. ^{[27] : p. 3}

Una vez finalizada la conducción directa en un diodo de tipo ap-n, puede circular una corriente inversa durante un breve periodo de tiempo. El dispositivo no alcanza su capacidad de bloqueo hasta que se agota la carga móvil en la unión.

El efecto puede ser significativo cuando se conmutan grandes corrientes muy rápidamente. ^[33] Puede ser necesaria una cierta cantidad de "tiempo de recuperación inversa" t _r (del orden de decenas de nanosegundos a unos pocos microsegundos) para eliminar la carga de recuperación inversa Q _r del diodo. Durante este tiempo de recuperación, el diodo puede conducir en la dirección inversa. Esto puede dar lugar a una gran corriente en la dirección inversa durante un corto tiempo mientras el diodo está polarizado inversamente. La magnitud de dicha corriente inversa está determinada por el circuito operativo (es decir, la resistencia en serie) y se dice que el diodo está en la fase de almacenamiento. ^[34] En ciertos casos del mundo real, es importante considerar las pérdidas que se incurren por este efecto de diodo no ideal. ^[35] Sin embargo, cuando la velocidad de respuesta de la corriente no es tan grave (por ejemplo, la frecuencia de línea), el efecto se puede ignorar con seguridad. Para la mayoría de las aplicaciones, el efecto también es insignificante para los diodos Schottky .

La corriente inversa cesa abruptamente cuando se agota la carga almacenada; esta parada abrupta se aprovecha en diodos de recuperación escalonada para la generación de pulsos extremadamente cortos.

Los diodos normales (p–n), que funcionan como se describió anteriormente, generalmente están hechos de silicio dopado o germanio . Antes del desarrollo de los diodos rectificadores de potencia de silicio, se usaba óxido cuproso y luego selenio . Su baja eficiencia requería que se aplicara un voltaje directo mucho más alto (típicamente de 1,4 a 1,7 V por "celda", con múltiples celdas apiladas para aumentar la clasificación de voltaje inverso pico para la aplicación en rectificadores de alto voltaje), y requería un disipador de calor grande (a menudo una extensión del sustrato metálico del diodo ), mucho más grande que el que requeriría el diodo de silicio posterior con las mismas clasificaciones de corriente. La gran mayoría de todos los diodos son los diodos p–n que se encuentran en los circuitos integrados CMOS , ^[36] que incluyen dos diodos por pin y muchos otros diodos internos.

Diodos de avalancha

Se trata de diodos que conducen en dirección inversa cuando la tensión de polarización inversa supera la tensión de ruptura. Son muy similares eléctricamente a los diodos Zener (y a menudo se los llama erróneamente diodos Zener), pero se descomponen por un mecanismo diferente: el efecto avalancha . Esto ocurre cuando el campo eléctrico inverso aplicado a través de la unión p–n provoca una onda de ionización, que recuerda a una avalancha, que da lugar a una gran corriente. Los diodos de avalancha están diseñados para descomponerse a una tensión inversa bien definida sin destruirse. La diferencia entre el diodo de avalancha (que tiene una ruptura inversa por encima de unos 6,2 V) y el Zener es que la longitud del canal del primero supera el camino libre medio de los electrones, lo que da lugar a muchas colisiones entre ellos en el camino a través del canal. La única diferencia práctica entre los dos tipos es que tienen coeficientes de temperatura de polaridades opuestas.

Diodos de corriente constante

En realidad, se trata de JFET ^[37] con la compuerta en cortocircuito con la fuente y funcionan como un análogo limitador de corriente de dos terminales del diodo Zener limitador de voltaje. Permiten que la corriente que pasa por ellos aumente hasta un valor determinado y luego se estabilice en un valor específico. También se denominan CLD , diodos de corriente constante , transistores conectados por diodos o diodos reguladores de corriente .

Rectificadores de cristal o diodos de cristal

Estos son diodos de contacto puntual. ^[27] La ​​serie 1N21 y otras se utilizan en aplicaciones de mezcladores y detectores en receptores de radar y microondas. ^{[24] [25] [26]} El 1N34A es otro ejemplo de diodo de cristal. ^[38]

Diodos Gunn

Son similares a los diodos túnel en el sentido de que están hechos de materiales como GaAs o InP que presentan una región de resistencia diferencial negativa . Con la polarización adecuada, se forman dominios dipolares que viajan a través del diodo, lo que permite construir osciladores de microondas de alta frecuencia .

Diodos emisores de luz (LED)

En un diodo formado a partir de un semiconductor de banda prohibida directa , como el arseniuro de galio , los portadores de carga que cruzan la unión emiten fotones cuando se recombinan con el portador mayoritario del otro lado. Dependiendo del material, se pueden producir longitudes de onda (o colores) ^[39] desde el infrarrojo hasta el ultravioleta cercano. ^[40] Los primeros LED eran rojos y amarillos, y con el tiempo se han desarrollado diodos de mayor frecuencia. Todos los LED producen luz incoherente de espectro estrecho; los LED "blancos" son en realidad un LED azul con un revestimiento centelleador amarillo , o combinaciones de tres LED de un color diferente. Los LED también se pueden utilizar como fotodiodos de baja eficiencia en aplicaciones de señal. Un LED se puede emparejar con un fotodiodo o fototransistor en el mismo encapsulado, para formar un optoaislador .

Diodos láser

Cuando una estructura similar a un LED se encuentra contenida en una cavidad resonante formada al pulir las caras de los extremos paralelos, se puede formar un láser . Los diodos láser se utilizan comúnmente en dispositivos de almacenamiento óptico y para comunicaciones ópticas de alta velocidad .

Diodos térmicos

Este término se utiliza tanto para los diodos p-n convencionales que se utilizan para controlar la temperatura debido a su voltaje directo variable con la temperatura, como para las bombas de calor Peltier para calefacción y refrigeración termoeléctricas . Las bombas de calor Peltier pueden estar hechas de semiconductores, aunque no tienen uniones rectificadoras, utilizan el comportamiento diferente de los portadores de carga en semiconductores de tipo N y P para mover el calor.

Fotodiodos

Todos los semiconductores están sujetos a la generación de portadores de carga óptica . Este es típicamente un efecto no deseado, por lo que la mayoría de los semiconductores están empaquetados en material que bloquea la luz. Los fotodiodos están destinados a detectar la luz ( fotodetector ), por lo que están empaquetados en materiales que permiten el paso de la luz, y generalmente son PIN (el tipo de diodo más sensible a la luz). ^[41] Un fotodiodo se puede utilizar en células solares , en fotometría o en comunicaciones ópticas . Se pueden empaquetar múltiples fotodiodos en un solo dispositivo, ya sea como una matriz lineal o como una matriz bidimensional. Estas matrices no deben confundirse con los dispositivos acoplados por carga .

Diodos PIN

Un diodo PIN tiene una capa central no dopada, o intrínseca , que forma una estructura de tipo p/intrínseca/tipo n. ^[42] Se utilizan como conmutadores y atenuadores de radiofrecuencia. También se utilizan como detectores de radiación ionizante de gran volumen y como fotodetectores . Los diodos PIN también se utilizan en electrónica de potencia , ya que su capa central puede soportar altos voltajes. Además, la estructura PIN se puede encontrar en muchos dispositivos semiconductores de potencia , como IGBT , MOSFET de potencia y tiristores .

Diodos Schottky

Los diodos Schottky están construidos a partir de un contacto de metal con semiconductor. Tienen una caída de tensión directa menor que los diodos de unión p-n. Su caída de tensión directa a corrientes directas de aproximadamente 1 mA está en el rango de 0,15 V a 0,45 V, lo que los hace útiles en aplicaciones de fijación de tensión y prevención de la saturación del transistor. También se pueden utilizar como rectificadores de baja pérdida , aunque su corriente de fuga inversa es en general mayor que la de otros diodos. Los diodos Schottky son dispositivos de portadores mayoritarios y, por lo tanto, no sufren problemas de almacenamiento de portadores minoritarios que ralentizan a muchos otros diodos, por lo que tienen una recuperación inversa más rápida que los diodos de unión p-n. También tienden a tener una capacitancia de unión mucho menor que los diodos p-n, lo que proporciona altas velocidades de conmutación y su uso en circuitos de alta velocidad y dispositivos de RF como fuentes de alimentación de modo conmutado , mezcladores y detectores .

Diodos de súper barrera

Los diodos de súper barrera son diodos rectificadores que incorporan la baja caída de voltaje directo del diodo Schottky con la capacidad de manejo de sobretensiones y la baja corriente de fuga inversa de un diodo de unión p–n normal.

Diodos dopados con oro

Como dopante, el oro (o platino ) actúa como centro de recombinación, lo que ayuda a la rápida recombinación de portadores minoritarios. Esto permite que el diodo funcione a frecuencias de señal más altas, a expensas de una mayor caída de voltaje directo. Los diodos dopados con oro son más rápidos que otros diodos p–n (pero no tan rápidos como los diodos Schottky). También tienen menos fugas de corriente inversa que los diodos Schottky (pero no tan buenas como otros diodos p–n). ^{[43] [44]} Un ejemplo típico es el 1N914.

Diodos de recuperación por salto o desprendimiento

El término recuperación por pasos se relaciona con la forma de la característica de recuperación inversa de estos dispositivos. Después de que una corriente directa ha estado pasando en un SRD y la corriente se interrumpe o se invierte, la conducción inversa cesará muy abruptamente (como en una forma de onda escalonada). Por lo tanto, los SRD pueden proporcionar transiciones de voltaje muy rápidas mediante la desaparición muy repentina de los portadores de carga.

Estabistores o diodos de referencia directa

El término estabilizador se refiere a un tipo especial de diodos que presentan características de tensión directa extremadamente estables . Estos dispositivos están diseñados especialmente para aplicaciones de estabilización de baja tensión que requieren una tensión garantizada en un amplio rango de corriente y una alta estabilidad frente a la temperatura.

Diodo supresor de voltaje transitorio (TVS)

Estos son diodos de avalancha diseñados específicamente para proteger otros dispositivos semiconductores de transitorios de alto voltaje . ^[45] Sus uniones p–n tienen un área de sección transversal mucho más grande que las de un diodo normal, lo que les permite conducir grandes corrientes a tierra sin sufrir daños.

Diodos de túnel o diodos Esaki

Estos tienen una región de operación que muestra resistencia negativa causada por efecto túnel cuántico , ^[46] lo que permite la amplificación de señales y circuitos biestables muy simples. Debido a la alta concentración de portadores, los diodos túnel son muy rápidos, se pueden usar a temperaturas bajas (mK), campos magnéticos altos y en entornos de alta radiación. ^[47] Debido a estas propiedades, a menudo se usan en naves espaciales.

Diodos varicap o varactores

Se utilizan como condensadores controlados por voltaje . Son importantes en circuitos PLL ( bucle de enganche de fase ) y FLL ( bucle de enganche de frecuencia ), ya que permiten que los circuitos de sintonización, como los de los receptores de televisión, se sincronicen rápidamente con la frecuencia. También permitieron que los osciladores sintonizables se utilizaran en la sintonización discreta temprana de las radios, donde un oscilador de cristal barato y estable, pero de frecuencia fija, proporcionaba la frecuencia de referencia para un oscilador controlado por voltaje .

Diodos Zener

Estos pueden hacerse para conducir en polarización inversa (hacia atrás), y se denominan correctamente diodos de ruptura inversa. Este efecto, llamado ruptura Zener , ocurre a un voltaje definido con precisión, lo que permite que el diodo se use como una referencia de voltaje de precisión. El término diodos Zener se aplica coloquialmente a varios tipos de diodos de ruptura, pero estrictamente hablando, los diodos Zener tienen un voltaje de ruptura inferior a 5 voltios, mientras que los diodos de avalancha se utilizan para voltajes de ruptura superiores a ese valor. En circuitos de referencia de voltaje prácticos, los diodos Zener y de conmutación se conectan en serie y en direcciones opuestas para equilibrar la respuesta del coeficiente de temperatura de los diodos a casi cero. Algunos dispositivos etiquetados como diodos Zener de alto voltaje son en realidad diodos de avalancha (ver arriba). Dos Zeners (equivalentes) en serie y en orden inverso, en el mismo encapsulado, constituyen un absorbedor transitorio (o Transorb , una marca registrada).

El símbolo que se utiliza para representar un tipo particular de diodo en un diagrama de circuito transmite la función eléctrica general al lector. Existen símbolos alternativos para algunos tipos de diodos, aunque las diferencias son menores. El triángulo en los símbolos apunta hacia la dirección de avance, es decir, en la dirección del flujo de corriente convencional .

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  Diodo
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  Diodo emisor de luz (LED)
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  Fotodiodo
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  Diodo Schottky
• 
  Diodo supresor de voltaje transitorio (TVS)
• 
  Diodo túnel
• 
  Capuchón variable
• 
  Diodo Zener
• 
  Encapsulados de diodos típicos en la misma alineación que el símbolo del diodo. La barra delgada representa el cátodo .

Hay varios esquemas de numeración y codificación comunes, estándar e impulsados ​​por el fabricante para diodos; los dos más comunes son el estándar EIA / JEDEC y el estándar europeo Pro Electron :

El sistema de numeración estandarizado de la serie 1N EIA370 fue introducido en los EE. UU. por EIA/JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) alrededor de 1960. La mayoría de los diodos tienen una designación con un prefijo 1 (por ejemplo, 1N4003). Entre los más populares de esta serie se encuentran: 1N34A/1N270 (señal de germanio), 1N914/ 1N4148 (señal de silicio), 1N400x (rectificador de potencia de silicio de 1 A) y 1N580x (rectificador de potencia de silicio de 3 A). ^{[48] [49] [50]}

El sistema de designación de semiconductores JIS tiene todas las designaciones de diodos semiconductores que comienzan con "1S".

El sistema de codificación europeo Pro Electron para componentes activos se introdujo en 1966 y consta de dos letras seguidas del código de la pieza. La primera letra representa el material semiconductor utilizado para el componente (A = germanio y B = silicio) y la segunda letra representa la función general de la pieza (para diodos, A = baja potencia/señal, B = capacitancia variable, X = multiplicador, Y = rectificador y Z = referencia de tensión); por ejemplo:

• Diodos de señal/baja potencia de germanio de la serie AA (por ejemplo, AA119)
• Diodos de señal/baja potencia de silicio de la serie BA (por ejemplo, diodo de conmutación de RF de silicio BAT18)
• Diodos rectificadores de silicio de la serie BY (por ejemplo, diodo rectificador BY127 de 1250 V y 1 A)
• Diodos Zener de silicio de la serie BZ (por ejemplo, diodo Zener BZY88C4V7 de 4,7 V)

Otros sistemas de numeración/codificación comunes (generalmente impulsados ​​por el fabricante) incluyen:

• Diodos de germanio de la serie GD (por ejemplo, GD9): este es un sistema de codificación muy antiguo
• Diodos de germanio de la serie OA (por ejemplo, OA47): una secuencia de codificación desarrollada por Mullard , una empresa del Reino Unido

• Rectificador
• Transistor
• Tiristor o rectificador controlado de silicio (SCR)
• Triac
• DIAC
• Varistor

En óptica, un dispositivo equivalente al diodo pero con luz láser sería el aislador óptico , también conocido como diodo óptico, ^[51] que permite el paso de la luz solo en una dirección. Utiliza un rotador de Faraday como componente principal.

El primer uso del diodo fue la demodulación de emisiones de radio moduladas en amplitud (AM). La historia de este descubrimiento se trata en profundidad en el artículo sobre el detector de cristal . En resumen, una señal AM consiste en picos positivos y negativos alternados de una onda portadora de radio, cuya amplitud o envolvente es proporcional a la señal de audio original. El diodo rectifica la señal de radiofrecuencia AM, dejando solo los picos positivos de la onda portadora. Luego, el audio se extrae de la onda portadora rectificada utilizando un filtro simple y se alimenta a un amplificador o transductor de audio , que genera ondas de sonido a través de un altavoz de audio .

En la tecnología de microondas y ondas milimétricas, a partir de la década de 1930, los investigadores mejoraron y miniaturizaron el detector de cristal. Los diodos de contacto puntual ( diodos de cristal ) y los diodos Schottky se utilizan en los detectores de radar, microondas y ondas milimétricas. ^[30]

Los rectificadores se construyen a partir de diodos, que se utilizan para convertir la electricidad de corriente alterna (CA) en corriente continua (CC). Los alternadores de automóviles son un ejemplo común, donde el diodo, que rectifica la CA en CC, proporciona un mejor rendimiento que el conmutador o, antes, el dinamo . De manera similar, los diodos también se utilizan en los multiplicadores de voltaje Cockcroft-Walton para convertir la CA en voltajes de CC más altos.

Dado que la mayoría de los circuitos electrónicos pueden resultar dañados cuando se invierte la polaridad de las entradas de la fuente de alimentación, a veces se utiliza un diodo en serie para protegerse contra tales situaciones. Este concepto se conoce por múltiples variaciones de nombres que significan lo mismo: protección contra voltaje inverso, protección contra polaridad invertida y protección contra batería invertida.

Los diodos se utilizan con frecuencia para conducir altos voltajes dañinos lejos de dispositivos electrónicos sensibles. Por lo general, están polarizados inversamente (no son conductores) en circunstancias normales. Cuando el voltaje aumenta por encima del rango normal, los diodos se polarizan directamente (son conductores). Por ejemplo, los diodos se utilizan en controladores de motores ( motores paso a paso y puentes H ) y circuitos de relé para desenergizar bobinas rápidamente sin los picos de voltaje dañinos que se producirían de otro modo. (Un diodo utilizado en una aplicación de este tipo se llama diodo flyback ). Muchos circuitos integrados también incorporan diodos en los pines de conexión para evitar que los voltajes externos dañen sus transistores sensibles . Se utilizan diodos especializados para proteger contra sobretensiones a mayor potencia (consulte los tipos de diodos más arriba).

La lógica de diodo-resistencia construye puertas lógicas AND y OR . La completitud funcional se puede lograr agregando un dispositivo activo para proporcionar inversión (como se hace con la lógica de diodo-transistor ).

Además de la luz, mencionada anteriormente, los diodos semiconductores son sensibles a la radiación más energética . En electrónica , los rayos cósmicos y otras fuentes de radiación ionizante causan pulsos de ruido y errores de uno o varios bits. Este efecto es explotado a veces por los detectores de partículas para detectar la radiación. Una sola partícula de radiación, con miles o millones de electronvoltios de energía, genera muchos pares de portadores de carga, ya que su energía se deposita en el material semiconductor. Si la capa de agotamiento es lo suficientemente grande como para atrapar toda la lluvia o para detener una partícula pesada, se puede hacer una medición bastante precisa de la energía de la partícula, simplemente midiendo la carga conducida y sin la complejidad de un espectrómetro magnético, etc. Estos detectores de radiación de semiconductores necesitan una recolección de carga eficiente y uniforme y una corriente de fuga baja. A menudo se enfrían con nitrógeno líquido . Para partículas de mayor alcance (alrededor de un centímetro), necesitan una profundidad de agotamiento muy grande y un área grande. Para partículas de corto alcance, necesitan que cualquier contacto o semiconductor no agotado en al menos una superficie sea muy delgado. Los voltajes de polarización inversa están cerca del punto de ruptura (alrededor de mil voltios por centímetro). El germanio y el silicio son materiales comunes. Algunos de estos detectores detectan la posición y la energía. Tienen una vida útil limitada, especialmente cuando detectan partículas pesadas, debido al daño por radiación. El silicio y el germanio son bastante diferentes en su capacidad para convertir rayos gamma en lluvias de electrones.

Los detectores de semiconductores para partículas de alta energía se utilizan en grandes cantidades. Debido a las fluctuaciones de la pérdida de energía, la medición precisa de la energía depositada es de menor utilidad.

Un diodo puede utilizarse como un dispositivo de medición de temperatura , ya que la caída de tensión directa a través del diodo depende de la temperatura, como en un sensor de temperatura de banda prohibida de silicio . A partir de la ecuación del diodo ideal de Shockley dada anteriormente, podría parecer que el voltaje tiene un coeficiente de temperatura positivo (a una corriente constante), pero generalmente la variación del término de corriente de saturación inversa es más significativa que la variación en el término de voltaje térmico. Por lo tanto, la mayoría de los diodos tienen un coeficiente de temperatura negativo , típicamente −2 mV/°C para diodos de silicio. El coeficiente de temperatura es aproximadamente constante para temperaturas superiores a aproximadamente 20 kelvin . Se dan algunos gráficos para la serie 1N400x, ^[52] y el sensor de temperatura criogénico CY7. ^[53]

Los diodos evitarán que las corrientes se distribuyan en direcciones no deseadas. Para suministrar energía a un circuito eléctrico durante un corte de energía, el circuito puede extraer corriente de una batería . Un sistema de alimentación ininterrumpida puede utilizar diodos de esta manera para garantizar que la corriente solo se extraiga de la batería cuando sea necesario. Del mismo modo, las embarcaciones pequeñas suelen tener dos circuitos, cada uno con su propia batería o baterías: una se utiliza para arrancar el motor y otra para uso doméstico. Normalmente, ambas se cargan desde un solo alternador y se utiliza un diodo de carga dividida de alta resistencia para evitar que la batería de mayor carga (normalmente la batería del motor) se descargue a través de la batería de menor carga cuando el alternador no está en funcionamiento.

Los diodos también se utilizan en teclados musicales electrónicos . Para reducir la cantidad de cableado necesario en los teclados musicales electrónicos, estos instrumentos suelen utilizar circuitos matriciales de teclado . El controlador del teclado escanea las filas y columnas para determinar qué nota ha pulsado el intérprete. El problema con los circuitos matriciales es que, cuando se pulsan varias notas a la vez, la corriente puede fluir en sentido inverso a través del circuito y activar " teclas fantasma " que hacen que suenen notas "fantasma". Para evitar activar notas no deseadas, la mayoría de los circuitos matriciales de teclado tienen diodos soldados con el interruptor debajo de cada tecla del teclado musical . El mismo principio también se utiliza para la matriz de interruptores en las máquinas de pinball de estado sólido .

Los diodos se pueden utilizar para limitar la excursión positiva o negativa de una señal a un voltaje prescrito.

Un circuito de fijación de diodos puede tomar una señal de corriente alterna periódica que oscila entre valores positivos y negativos y desplazarla verticalmente de modo que los picos positivos o negativos se produzcan en un nivel prescrito. El fijador no restringe la excursión pico a pico de la señal, mueve toda la señal hacia arriba o hacia abajo para colocar los picos en el nivel de referencia.

Se aprovecha la relación corriente-voltaje exponencial del diodo para evaluar la exponenciación y su función inversa, el logaritmo, utilizando señales de voltaje analógicas (consulte Aplicaciones del amplificador operacional §§  Salida exponencial​ y Salida logarítmica ).

En las PCB , los diodos suelen denominarse D (diodo) . A veces se utiliza la abreviatura CR ( rectificador de cristal) . ^[54]

• Rectificación activa
• Transistor conectado a diodo
• Modelado de diodos
• Diodo rápido/ultrarrápido
• Rectificación de llama
• Diodo lambda
• Diodo Lr
• unión p–n
• Modelo de pequeña señal

Libros de circuitos históricos

• 50 circuitos LED simples ; 1.ª edición; RN Soar; Babani Press; 62 páginas; 1977; ISBN 978-0859340434 . (archivo) 
• 38 circuitos de diodos prácticos y probados para el constructor casero ; 1.ª edición; Bernard Babani; Krisson Printing; 48 páginas; 1972. (archivo)
• Manual de circuitos de diodos ; 1.ª edición; Rufus Turner; Howard Sams & Co; 128 páginas; 1963; LCCN 63-13904. (archivo)
• 40 usos de los diodos de germanio ; 2.ª edición; Sylvania Electric Products; 47 páginas; 1949. (archivo)

Revistas históricas

• Manual de aplicaciones de rectificadores ; On Semiconductor; 270 páginas; 2001. (archivo)
• Manual del rectificador de silicio ; 1.ª edición; Bob Dale; Motorola; 213 páginas; 1966. (archivo)
• Rectificación electrónica ; FG Spreadbury; D. Van Nostrand Co; 1962.
• Manual del diodo Zener ; Rectificador internacional; 96 páginas; 1960.
• Manual del rectificador de selenio FT ; 2.ª edición; Federal Telephone and Radio; 80 páginas; 1953. (archivo)
• Manual del rectificador de selenio ST ; 1.ª edición; Sarkes Tarzian; 80 páginas; 1950. (archivo)

Libros de datos históricos

• Libro de datos discretos; 1989; National Semiconductor (ahora Texas Instruments)
• Libro de datos discretos; 1985; Fairchild (ahora ON Semiconductor)
• Libro de datos discretos; 1982; SGS (ahora STMicroelectronics)
• Libro de datos de semiconductores; 1965; Motorola (ahora ON Semiconductor)

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