Díode

De Viquipèdia

Un díode funciona com a una vàlvula de buit, però en versió electrònica. Permet el flux del corrent elèctric en una direcció, però el bloqueja en el sentit contrari (restringint el moviment dels electrons).

De forma simplificada, la corba característica d'un díode (I-V) consta de dos regions, per davall de certa diferència de potencial, es comporta com un circuit obert (no conduïx), i per damunt d'ella com un circuit tancat amb molt xicoteta resistència elèctrica.

A causa d'este comportament, se'ls sol denominar rectificadors, ja que són dispositius capaços de convertir un corrent altern en corrent continu (mitjançant un muntatge especial anomenat pont rectificador).

Taula de continguts 1 Díode p-n (normal) 1.1 Polarització inversa 1.2 Polarització directa 1.3 Corba característica del díode 1.4 Models matemàtics 2 Díodes dopats amb or 3 Díodes Zener 4 Díode d'allau 5 Díode emisor de llum (LED) 5.1 Díode d’infraroigs (IRED) 5.2 Díode làser 6 Fotodíodes 7 Díode Schottky 8 Díode de recuperació instantània (Snap) 9 Díode túnel (Esaki) 10 Díode Gunn

[edita] Díode p-n (normal)

Els díodes p-n són unions de dos materials semiconductors extrínsecs tipus p i n, per la qual cosa també reben la denominació d'unió p-n.

Al unir estos dos cristalls, es manifesten dos processos:

1. La difusió de buits del cristall p al n ( J_h ), i
2. Un corrent d'electrons del cristall n al p ( J_e ).

A l'establir-se estos corrents apareixen càrregues fixes a una zona a un costat i a l'altre de la unió, zona que rep diferents denominacions com: zona de càrrega espacial, d'esgotament, de deflexió, de buidatge, etc.

A mesura que progressa el procés de difusió, la zona de càrrega espacial va incrementant la seua amplària aprofundint en els cristalls a un costat i a l'altre de la unió. No obstant, l'acumulació de càrregues induïx una diferència de tensió (V) que actuarà sobre els electrons amb una determinada força de desplaçament que s'oposarà a la difusió de buits i al corrent d'electrons i acabarà detenint-los.

Esta diferència de tensió d'equilibri (V₀) és de 0.7 V en el cas del silici i 0.3 V si els cristalls són de germani.

L'amplària de la zona de càrrega d'espacial una vegada aconseguit l'equilibri, sol ser de l'orde de 0,5 micròmetres però quan un dels cristalls està molt més dopat que l'altre, la zona de càrrega espacial és molt major.

Al dispositiu així obtingut s'anomena díode, que en un cas com el descrit, tal que no es troba sotmés a una diferència de potencial externa, es diu que no està polaritzat. A l'extrem p, on s'acumulen càrregues negatives se li denomina ànode, representant-se per la lletra A, mentre que la zona n, el càtode, es representa per la lletra C (o K).

A (p)		C ó K (n)
Representació simbòlica del díode p-n.

Quan se sotmet al díode a una diferència de tensió externa, es diu que el díode està polaritzat, podent ser la polarització

• inversa: V_p > V_n, o
• directa: V_p < V_n.

[edita] Polarització inversa

En este cas, el pol negatiu de la bateria es connecta a la zona p (la de menor tensió) el que fa augmentar la zona de càrrega espacial, i per tant la tensió en la zona esmentada fins que s'aconseguix el valor de la tensió de la bateria.

En esta situació, el díode no hi hauria de conduir el corrent; no obstant, a causa de l'efecte de la temperatura es formaran parells electró-buit (vore semiconductor) a un costat i a l'altre de la unió produint un xicotet corrent (de l'orde d'1 μA) anomenat corrent invers de saturació.

Per efecte de la polarització inversa, les concentracions de minoritaris -- electrons en la zona p (n_p), i buits en la zona n (p_n ) -- disminuïxen a mesura que ens aproximem a la unió des dels valors inicials del díode no polaritzat fins a anul·lar-se.

[edita] Polarització directa

En este cas, al contrari que en l'anterior, la bateria disminuïx la barrera de potencial de la zona de càrrega espacial, permetent el pas dels corrents d'electrons i buits a través de la unió; és a dir, el díode polaritzat directament conduïx l'electricitat.

Les concentracions de conductors minoritaris, s'incrementen des dels valors inicials a mesura que ens acostem a la unió.

En la representació simbòlica del díode, la fletxa indica el sentit de la polarització directa.

[edita] Corba característica del díode

Tensió llindar, de colze o de partida (V_γ).
La tensió llindar de polarització directa coincidix en valor amb la tensió de la zona de càrrega espacial del díode no polaritzat. Al polaritzar directament el díode, la barrera de potencial inicial es va reduint, incrementant el corrent lleugerament, al voltant de l'1% del nominal. No obstant, quan la tensió externa supera la tensió llindar, la barrera de potencial desapareix, de forma que per a xicotets increments de tensió es produïxen grans variacions de la intensitat.

Corrent màxim (I_max ).
És la intensitat de corrent màxima que pot conduir el díode sense fondre's per l'efecte Joule. Atés que és funció de la quantitat de calor que pot dissipar el díode, depén sobretot del disseny d'este.

Corrent invers de saturació (I_s).
És el xicotet corrent que s'establix al polaritzar inversament el díode per la formació de parells electró-buit. És funció de la temperatura del material, admetent-se que es duplica per cada increment de 10ºC en la temperatura.

Tensió de ruptura (V_r).
Teòricament, al polaritzar inversament el díode, el díode conduirà el corrent invers de saturació; en la realitat, a partir d'un determinat valor de la tensió de l'orde de 5 V, el díode comença a conduir també en polarització inversa.

La ruptura pot deure's a dos efectes:

• Efecte allau (díodes poc dopats). En polarització inversa es generen parells electró-buit que provoquen el corrent invers de saturació; si la tensió inversa és elevada els electrons s'acceleren incrementant la seua energia cinètica de forma que al xocar amb electrons de valència poden provocar el seu bot a la banda de conducció. Estos electrons alliberats, al seu torn, s'acceleren per efecte de la tensió, xocant amb més electrons de valència i alliberant-los al seu torn. El resultat és una allau d'electrons que provoca un corrent gran. Este fenomen es produïx per a valors de la tensió superiors a 6 V.

• Efecte Zener (díodes molt dopats). Quan més dopat està el material, menor és l'amplària de la zona de càrrega. Donat que el camp elèctric E pot expressar-se com a quocient de la tensió V entre la distància d; quan el díode estiga molt dopat, i per tant d siga xicotet, el camp elèctric serà gran, de l'orde de 3·10⁵ V/cm. En estes condicions, el propi camp pot ser capaç d'arrancar electrons de valència incrementant-se el corrent. Este efecte es produïx per a tensions de 4 V o menors.

Per a tensions inverses entre 4 i 6 V la ruptura del díode es pot produir per estos dos efectes.

[edita] Models matemàtics

El model matemàtic més empleat és el de Shockley (en honor a William Bradford Shockley) que permet aproximar el comportament del díode en la majoria de les aplicacions. L'equació que lliga la intensitat de corrent elèctric i la diferència de potencial és:

On:

• I és la intensitat del corrent que travessa el díode i V_D la diferència de tensió entre els seus extrems.
• I_S és el corrent de saturació
• q és la càrrega de l'electró
• T és la temperatura absoluta de la unió
• k és la constant de Boltzmann
• n és el coeficient d'emissió, dependent del procés de fabricació del díode i que sol adoptar valors entre 1 (per al germani) i de l'orde de 2 (per al silici).
• El terme V_T = kT/q = T/11600 és la tensió deguda a la temperatura, de l'orde de 26 mV a temperatura ambient (300 K o 27 ºC).

Per evitar l'ús d'exponencials (malgrat ser un dels models més senzills), en ocasions s'usen models més simples encara, que modelen les zones de funcionament del díode per trams rectes; són els anomenats models de contínua que es mostren en la figura. El més simple de tots (4) és el díode ideal.

[edita] Díodes dopats amb or

L'or provoca la supressió dels portadors minoritaris. Açò disminueix la capacitància efectiva del díode, permetent operar a freqüències elevades. Els díodes de germani i els Schottky són tan ràpids com aquest, com també ho son els transistors bipolars "capats" per funcionar com díodes. Els dissenyats per a fonts d'alimentació estan pensats per funcionar a un màxim de 400 Hz.

[edita] Díodes Zener

Són díodes que estan fets per conduir també en sentit invers. Este efecte, anomenat ruptura Zener, pasa a determinat voltatge, fent que es puga usar el díode com una referència de voltatge de precisió. Alguns dispositius etiquetats com a Zeners d'alt voltatge, són en realitat díodes d'allau (veure més avall). Dos díodes Zener (equivalents) en sèrie i un a l'inrevés, constitueixen un Transorb (marca registrada). Els díodes Zener son usats també en els motors pas-a-pas i en els circuits amb relés per desmagnetitzar les bobines ràpidament i evitar les puntes de corrent que aquestes produeixen. Reben el seu nom del Dr. Clarence Melvin Zener de la Southern Illinois University, inventor del dispositiu.

[edita] Díode d'allau

Són díodes que condueixen en sentit invers quan la tensió de polarització inversa supera la tensió de ruptura. Són molt pareguts als Zener, i de fet solen confondre's, però el mecanisme de ruptura és distint. Fan ús de l'efecte allau.

[edita] Díode emisor de llum (LED)

Mentre els electrons creuen la unió, s’emeten fotons. En la majoria dels díodes, són reabsorbits, i són emesos a freqüències no visibles (normalment infraroigs). No obstant, amb els materials i la disposició adequada, la llum es fa visible. El potencial de bot d’estos díodes defineix el seu color. D’esta forma 1.2V corresponen al roig i 2.4V al violeta. Tots els LEDs són monocromàtics.

[edita] Díode d’infraroigs (IRED)

Són LEDs especialment dissenyats per a emetre infrarrojos (i no com a conseqüència indirecta).

[edita] Díode làser

Quan un díode LED es construeix amb forma de cavitat resonant, forma un díode làser.

[edita] Fotodíodes

Aquestos tenen les unions amples i accessibles a la llum. Els fotons poden espentar electrons cap a la unió, fent que passe el corrent. Si el fotó no te molta energia, el díode no deixarà passar molt de corrent. De vegades s’uneix un fotodíode amb un fototransistor en el mateix encapsulat. Aquest dispositiu s’anomena "optoacoblador", i permet un aïllament entre dues bandes d’un circuit (com faria un transformador), però permetent transmetre els senyals de corrent continu (a diferència dels transformadors que sols transmeten senyals alterns).

[edita] Díode Schottky

Tenen molt baixa caiguda de tensió en conducció directa, del ordre de 0.15 a 0.45V, cosa que els fa molt útils en circuits de baix consum i en circuits RF.

[edita] Díode de recuperació instantània (Snap)

Permeten transicions molt ràpides.

[edita] Díode túnel (Esaki)

Actualment s'està desenvolupant una nova generació de dispositius basats en efectes quàntics, on els electrons poden travessar barreres de potencial encara quan clàssicament no podrien fer-ho. Estos dispositius d'efecte quàntic són més ràpids i consumixen menys potència que els convencionals.

[edita] Díode Gunn

Usa el mateix efecte que el díode túnel, però aquest a partir d’un camp elèctric produeix un corrent oscil·latori que no depèn del circuit extern.