DIODO
Un diodo (del griego: dos caminos) es un dispositivo semiconductor. Su función permite el paso de la corriente en un solo sentido, a este proceso se le llama rectificación.
CARACTERISTICAS GENERALES
Existen diferentes tipos de diodos por ejemplo semiconductor de unión, de punto de contacto, termoiónico, de barrera de oxido-metal. Para representar se emplean símbolos de circuito para identificarlos.
El diodo ideal presenta la propiedad de ser unidireccional, esto es, si se le aplica un voltaje con una polaridad determinada, el diodo permite un flujo de corriente con resistencia despreciable y con un voltaje de polaridad opuesta no permitira el paso de corriente alguna.

Esto significa que al hacer uso de la convección de signo en la cual Va y Vk son los potenciales de anodo y catodo respectivamente, el voltaje a través del diodo es Vd= Vak – Vk e Id, es la corriente en sentido directo a través del diodo entonces

En general se puede considerar Id= f(Vd), donde la función f usualmente toma una forma clara y simple.
Una característica típica I – V para un diodo se presenta en la siguiente figura

SELECCIÓN DE DIODO
Los diodos se fabrican para llenar los requisitos en aplicaciones especificas, como por ejemplo en rectificadores, detectores, etc. Los datos pueden o no incluir valores típicos de voltajes y corrientes, pero normalmente si presentan los valores maximos de los cuales no debe excederel diodo para operar satisfactoriamente.
Para un diodo los valores, deben ser la corriente maxima de sentido directo y el voltaje inverso maximo.
La corriente maxima de sentido directo se limita por la potencia que puede disiparse en el diodo sin destruirlo, se puede tomar como una corriente pico o una corriente continua.
El voltaje inverso maximo determina este límite y se puede valorar para operación continua o como valor pico de un voltaje aplicado en operación repetitiva.

TIPOS DE DIODOS
DIODO TERMOIONICO
Los portadores de carga son electrones producidos por emisión termoiónica desde un catodo caliente. Normalmente el anodo es un cilindro metalico de pared delgada que rodea el catodo.
El ensamble de electrodos se monta en un tubo de vidrio al vacio. Cuando Vd es positivo, los electrones son atraídos hacia el anodo y circula una corriente.
Si Vd es negativo, los electrones son rechazados por el anodo y la corriente es cero.
Cuando Vd es positivo y no muy grande, el valor de la corriente en sentido directo esta dado por la ley de Child-Langmuir, la cual es
Ia=KVd3/2
Donde:
K= es una constante que depende de la geometría de los electrodos.
La ecuación solamente es valida sobre una región limitada y existe un valor límite de Ia (corriente de saturación) que depende de la temperatura del catodo.

DIODO SEMICONDUCTOR DE UNION
Son uniones de dos materiales semiconductores extrínsecos tipos p y n,por lo que también reciben la denominación de unión pn.
Los materiales mas importantes que se utilizan para semiconductores en electrónica son el silicio y el germanio.
Esto forma un semiconductor tipo n; los portadores mayoritarios de la corriente son negativos (electrones). Los atomos de impurezas se conocen con el nombre de donadores.
La impureza se conoce como un aceptador.
La conductividad de impurezas se llama extrínseca. En una estructura cristalina perfecta de silicio y germanio no existe conductividad extrínseca y la conducción que existe en este caso es intrínseca.
Al fabricarse una unión p-n, hay una redistribución de los portadores que estaban presentes en los semiconductores p y n separados. Térmicamente se establece un equilibrio dinamico y el resultado neto es que el material tipo n se carga positivamente y el tipo p se carga negativamente.
En la unión aparece una zona de depleción en la cual no existen portadores de carga en movimiento.
Las propiedades unidireccionales de la unión p-n, pueden comprenderse cualitativamente.
En equilibrio, él material tipo p tienes una carga negativa y el material tipo n una carga positiva. Si una fuente de c.d. se conecta con la terminal positiva al tipo p y la terminal negativa al tipo n de la unión, fluye entonces facilmente una corriente debido a que el nivel de la barrera de potencial reduce.
La Id, que pasa a través de cada una de las uniones, seda como función del voltaje aplicado, Vd, de acuerdo con la siguiente formula
Id = Is
Donde:
e = es la carga electrónica
k= es la constante de Bolzamann
T= es la temperatura absoluta
e/kT= 40 V-1 a la temperatura ambiente.
Is= se conoces como corriente inversa de saturación.

Representación simbólica de diodo pn.

CARACTERÍSTICA GENERALES DEL DIODO SEMICONDUCTOR DE UNIÓN.
Una característica típica de un diodo de unión pn, donde se distingue por

ZONAS DIRECTA E INVERSA

Las zonas directa e inversa quedan descritas de manera unificada por la siguiente expresión matematica:

Is= intensidad de saturación, cuyo valor depende de la estructura, la composición y la geometría del dispositivo y puede variar dentro de un rango comprendido entre 10–8 A y 10–16 A.

El valor de esta intensidad de saturación es también fuertemente dependiente de la temperatura; a mayor temperatura mayor intensidad de saturación.

n= coeficiente de emisión, también dependiente de la estructura y la composición, y varía entre 1 y 2.

ZONA RUPTURA

Dentro de la zona inversa, al aumentar mucho la caída de tensión desde el terminal negativo hasta el terminal positivo del diodo, se observa que a partir de cierto valor, llamado tensión de ruptura Ez , la intensidad inversa aumenta muy rapidamente con la tensión. En estas condiciones, el diodo puede llegar a destruirse a no ser que se limite dealguna manera la intensidad que circula por él y por tanto su consumo de potencia. Dentro de la región de ruptura el dispositivo equivale a una fuente de tensión
v ≈ –Ez

Cuyo valor es también fuertemente dependiente de la tecnología; típicamente varias decenas de voltio. La ruptura es un comportamiento parasito que debe evitarse en las aplicaciones del diodo de unión. Sin embargo, hay dispositivos, los diodos Zener, donde la ruptura es un proceso controlado y Ez toma valores en el rango de voltios.

DIODO EN SERIE: RECTIFICADOR EN MEDIA ONDA
La función de este circuito es eliminar uno de los dos semiperiodos de una señal alterna senoidal, proveniente del secundario del transformador.El rectificador de media onda generalmente se usa sólo para aplicaciones de baja corriente, o de alta frecuencia, ya que requiere una capacitancia de filtrado mayor para mantener el mismo voltaje de rizado que un rectificador de onda completa.
Un rectificador simple de media onda de este tipo no es una buena aproximación a una cc constante en forma de onda; contiene componentes de frecuencia de ca a 6OHz y todos sus armónicos. Un rectificador de media onda tiene un factor de rizado r = 121%, lo que significa que tiene mas componentes de voltaje de ca en su salida que componentes de voltaje de cc. Obviamente, el rectificador de media onda no es, en consecuencia, una forma muy buena de producir voltaje de cc a partir de unafuente de ca.
Durante el intervalo t=0 -> T/2, la polaridad del voltaje aplicado Vrms es igual a la que contiene el diodo cuando sé esta polarizado directamente, por lo que conduce el diodo y permite el pico positivo, pero cuando T/2 -> T, la polarización de la entrada se invierte y el diodo no conduce.
En general parte del voltaje aplicado apracera a través del diodo y el resto a través de la carga R, esto es
VA= Vd + VR
La corriente que fluye por el diodo y R se determina por:
I = Id = IR = VR /R
La magnitud de IR (y por tanto VR) se puede encontrar mediante la construcción de lo que se conoce como la mineas de carga, sobre la curva característica I-V del diodo.
Una línea recta con pendiente (-1/R) se dibuja a partir del punto P (V=VA, I=0). Sea el punto en que la línea interseca la característica del diodo y llamese Q la proyección de S en el eje de voltaje. Entonces, SQ corresponde a la corriente que fluye por R, y el voltaje a través de R sera VR = IR = SQ X R. Este voltaje se obtiene debido a la elección del valor de la pendiente.

Por lo tanto, en el diagrama
OQ= diferencia de potencial a través del diodo.
QP= diferencia de potencial a través de R
OP= OQ + QP= al voltaje aplicado.

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA
Es un circuito empleado para convertir una señal de corriente alterna de entrada (Vi) en corriente continua de salida (Vo) pulsante.Este utiliza una fuente de c.a. con derivacióncentral, cuya resistencia es cero aproximadamente, de tal forma que cuando la terminal A es positiva con respecto a la referencia, B sera negativa con igual magnitud. Con esta configuración, durante el medio ciclo en que A es positiva con respecto a 0, el diodo D1 conduce. En el otro medio ciclos, cuando A es negativa con respecto a 0, el diodo D1 conduce. En el otro medio ciclo, cuando A es negativa con respecto a 0, el dido D2 conduce y la corriente a través de R en la siguiente figura:

DIODO POLARIZADO EN SERIE EL LIMITADOR (RECORTADOR)

Funcionamiento:
Para el diodo del circuito consideraremos el modelo de gran señal, de este modo para el dispositivo existe un voltaje umbral de conducción V y considerando la conexión en el circuito, el diodo, en polarización inversa, actuara como una fuente de corriente Is en paralelo con una Resistencia Rr , al aplicar una transformación de fuentes se tiene el circuito equivalente de la figura 1b, el diodo se polarizara directo en el momento que Vi supere el valor V + VR, cumpliéndose esto el diodo conducira corriente y desde ese momento lo haremos equivalente a una fuente V con una resistencia en serie Rf

Si el diodo no conduce no existe diferencia de potencial a través de R y el catodo del diodo esta al potencia VB. El circuito se basa en la propiedad fundamental del diodo de que es un no conductor si el potencial del anodo es menor qu el catodo.

Si se usa unafuente de c.d. el diodo puede fijar un limite en la excursión de cualquier forma de onda de voltaje.

DIODO POLARIZADO EN PARALELO. EL RESTAURADOR DE C.C.

En este analisis se encontraran cuatro tipos de recortadores en paralelo, en los dos primeros solo cambia la polaridad del diodo y, la fuente de dc queda con la misma polaridad; en los dos recortadores siguientes el diodo conserva la misma polaridad, mientras que la fuente de dc invierte su polaridad para cada recortador restante.
Cada circuito recortador se encuentra en función de la batería (fuente de dc), los recortadores positivo y negativo se pueden realizar simultaneamente. El resultado es un recortador polarizado en paralelo, que se diseña utilizando dos diodos y dos fuentes de tensión. Pero en este analisis solo se van a utilizar una fuente de tensión de dc y un solo diodo para cada onda de salida (positiva y negativa).
Son circuitos que colocan a la salida una señal con una porción eliminada frente a la señal de entrada. Se clasifican en simples y polarizados, caracterizandose cada uno de ellos por la ausencia o presencia de una batería en su composición. La presencia de baterías en el interior de un circuito recortador permite tener niveles de recorte de la señal de entrada diferentes de cero o de 0.7 V.
La forma mas general de analizar circuitos recortadores consiste en utilizar la función de transferencia de voltaje, de la salida a laentrada. Este método permite que cualquier forma de señal en el tiempo que se aplique al circuito recortador, su salida es facilmente determinada utilizando la característica de transferencia.

DIODO ZENER
El diodo Zener, que recibe este nombre por su inventor, el Dr. Clarence Melvin Zener, es un diodo de silicio que se ha construido para que funcione en las zonas de rupturas. Llamados a veces diodos de avalancha o de ruptura, el diodo zener es la parte esencial de los reguladores de tensión casi constantes con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensión de red, de la resistencia de carga y temperatura. El Dr. Clarence Melvin Zener de Southern Illinois University inventó el diodo Zener.

El diodo zener es un tipo especial de diodo, que siempre se utiliza polarizado inversamente. Recordar que los diodos comunes, como el diodo rectificador (en donde se aprovechan sus características de polarización directa y polarización inversa).



En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el diodo. Si el diodo zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador común.



Cuando el diodo zener funciona polarizado inversamente mantiene entre sus terminales un voltaje constante. En el grafico se ve el símbolo de diodo zener (A - anodo, K - catodo) y el sentido de la corriente para que funcione en la zona operativa. Se analizara el diodoZener, no como un elemento ideal, si no como un elemento real y se debe tomar en cuenta que cuando éste se polariza en modo inverso si existe una corriente que circula en sentido contrario a la flecha del diodo, pero de muy poco valor.
En esencia, un diodo zener es exactamente igual a un diodo común como los que ya se han estudiado, es decir, pueden ser polarizados directa e indirectamente, tienen un voltaje de umbral (generalmente de 0 a 0,7v) corriente directa maxima, potencia de disipación o temperatura de empaque y un voltaje de ruptura o voltaje zener. Es precisamente en esta última característica en donde nace la diferencia. Un diodo Zener es construido de manera que el voltaje de ruptura no sea tan elevado si no mas pequeño de manera que pueda ser mas facilmente alcanzable. Si se recuerda, en un diodo común, cuando se sobrepasaba el voltaje de ruptura del diodo simple se quemaba por sobretensión, en el diodo zener al sobrepasar este voltaje no ocurre esto debido a dos razones: primero a la forma de dopar el material
Semiconductor y segundo por que las tensiones no son tan altas como antes (600V, 1000V, 1300V
Caracterización del Zener
El diodo zener viene caracterizado por:
1. Tensión Zener Vz.
2. Rango de tolerancia de Vz. (Tolerancia: C: ±5%)
3. Maxima corriente Zener en polarización inversa Iz.
4. Maxima potencia disipada.
5. Maxima temperatura de operación del zener.

Aplicación:Regulador Zener.
Una de las aplicaciones mas usuales de los diodos zener es su utilización como reguladores de tensión. La figura 4 muestra el circuito de un diodo usado como regulador.

Este circuito se diseña de tal forma que el diodo zener opere en la región de ruptura, aproximandose así a una fuente ideal de tensión. El diodo zener esta en paralelo con una resistencia de carga RL y se encarga de mantener constante la tensión entre los extremos de la resistencia de carga (Vout=VZ), dentro de unos límites requeridos en el diseño, a pesar de los cambios que se puedan producir en la fuente de tensión VAA, y en la corriente de carga IL.
Diseño del Regulador Zener.
Es importante conocer el intervalo de variación de la tensión de entrada (VAA) y de la corriente de carga (IL) para diseñar el circuito regulador de manera apropiada. La resistencia R debe ser escogida de tal forma que el diodo permanezca en el modo de tensión constante sobre el intervalo completo de variables.
La ecuación del nodo para el circuito de la figura 4 nos dice que

Para asegurar que el diodo permanezca en la región de tensión constante (ruptura), se examinan los dos extremos de las condiciones de entrada – salida:
1. La corriente a través del diodo IZ es mínima cuando la corriente de carga IL es maxima y la fuente de tensión VAA es mínima.
2. La corriente a través del diodo IZ es maxima cuando la corriente de carga IL es mínimay la fuente de tensión VAA es maxima.

Que es el efecto Zener

Cuando el diodo esta polarizado inversamente, una pequeña corriente circula por él, llamada corriente de saturación Is, esta corriente permanece relativamente constante mientras aumentamos la tensión inversa hasta que el valor de ésta alcanza Vz, llamada tensión Zener (que no es la tensión de ruptura zener), para la cual el diodo entra en la región de colapso. La corriente empieza a incrementarse rapidamente por el efecto avalancha.

En esta región pequeños cambios de tensión producen grandes cambios de corriente. El diodo zener mantiene la tensión practicamente constante entre sus extremos para un amplio rango de corriente inversa.

Obviamente, hay un drastico cambio de la resistencia efectiva de la unión PN.

Si ahora vamos disminuyendo la tensión inversa se volvera a restaurar la corriente de saturación Is, cuando la tensión inversa sea menor que la tensión zener. El diodo podra cambiar de una zona a la otra en ambos sentidos sin que para ello el diodo resulte dañado, esto es lo que lo diferencia de un diodo de unión como el que estudiamos en la practica anterior y es lo que le da al diodo zener su característica especial.
El progresivo aumento de la polarización inversa hace crecer el nivel de corriente y no debe sobrepasarse un determinado nivel de tensión especificado por el fabricante pues en caso contrario se dañaría el diodo,ademas siempre debemos tener en cuenta la maxima potencia que puede disipar el diodo y trabajar siempre en la región de seguridad.
Valores mas utilizados en el calculo de Reguladores con Diodos Zener
En el calculo para el diseño de Reguladores con diodos Zener, se mantienen exactamente los mismos parametros utilizados para el calculo de un circuito rectificador con filtro, mas la adición de los parametros del diodo zener que se explican a continuación y que pueden ser observados en la curva característica:

• Voltaje Zener Nominal (VZ): Como su nombre lo indica, este es el voltaje al cual el diodo zener se enciende en polarización inversa y bajo condiciones de temperatura normales. Los zener vienen para tensiones entre 1,8V y 200V. Este parametro se usa de referencia para comprar el diodo zener.

• Tolerancia: Similar a la utilizada para resistencias, nos indica el rango de error que se puede esperar en el voltaje zener nominal, son comunes tolerancias del 20%, 10%, 5% y 1% (Ej. Un zener de 10V / 20% puede tener un voltaje zener entre 8V y 12V). Obviamente a menor tolerancia mayor costo.

• Intensidad Zener Mínima: A diferencia del diodo común, el zener aparte de necesitar un voltaje mayor al de ruptura para funcionar, necesita una corriente mínima de encendido. Debido a la dificultad de obtener este valor se considera siempre que tiene un valor de 5mA (Ver calculo).

• Intensidad Zener Maxima (IZMAX): Es la maxima intensidad que soporta el zener en polarización inversa. Este parametro es muy importante ya que existiran ocasiones en que la carga sea desconectada, por lo que la corriente de la carga pasara al zener y si es demasiado alta, el zener se quemara.

• Potencia Disipada Maxima (PZ): Este parametro es mas comúnmente utilizado que la intensidad zener maxima y especifica la maxima potencia que puede disipar el empaque del zener en forma de calor. Los zener vienen en potencias entre 0.25W a 50W. Este es el segundo parametro que se usa de referencia para comprar el diodo zener. Si la potencia calculada es muy alta se puede utilizar diodos zener en paralelo con el fin de dividir la corriente total, consiguiendo menos disipación de potencia por zener.

DIODO TÚNEL
En 1958, el físico japonés Esaki, descubrió que los diodos semiconductores obtenidos con un grado de contaminación del material basico mucho mas elevado que lo habitual exhiben una característica tensión-corriente muy particular. La corriente comienza por aumentar de modo casi proporcional a la tensión aplicada hasta alcanzar un valor maximo, denominado corriente de cresta. A partir de este punto, si se sigue aumentando la tensión aplicada, la corriente comienza a disminuir y lo siga haciendo hasta alcanzar un mínimo, llamado corriente de valle, desde el cual de nuevo aumenta. El nuevo crecimiento de la corriente es al principio lento, peroluego se hace cada vez mas rapido hasta llegar a destruir el diodo si no se lo limita de alguna manera. Este comportamiento particular de los diodos muy contaminados se debe a lo que los físicos denominan efecto túnel, del que no nos ocuparemos aquí debido a su complejidad. Para las aplicaciones practicas del diodo túnel, la parte mas interesante de su curva característica es la comprendida entre la cresta y el valle. En esta parte de la curva a un aumento de la tensión aplicada corresponde una disminución de la corriente; en otros términos, la relación entre un incremento de la tensión y el incremento resultante de la corriente es negativa y se dice entonces que esta parte de la curva representa una 'resistencia incremental negativa'. Una resistencia negativa puede compensar total o parcialmente una resistencia positiva. Así, por ejemplo, las pérdidas que se producen en un circuito resonante a causa de la presencia siempre inevitable de cierta resistencia en el, se compensa asociando al circuito una resistencia negativa de valor numérico conveniente y realizada por ejemplo, mediante un diodo túnel. En tal caso el circuito oscilante se transforma en un oscilador.
Este diodo presenta una cualidad curiosa que se pone de manifiesto rapidamente al observar su curva característica, la cual se ve en el grafico. En lo que respecta a la corriente en sentido de bloqueo se comporta como un diodo corriente, pero en elsentido de paso ofrece unas variantes según la tensión que se le somete. La intensidad de la corriente crece con rapidez al principio con muy poco valor de tensión hasta llegar a la cresta (C) desde donde, al recibir mayor tensión, se produce una pérdida de intensidad hasta D que vuelve a elevarse cuando se sobrepasa toda esta zona del valor de la tensión.
Símbolo Representación en circuito


DIODO COMO INTERRUPTOR
Un diodo funciona como un interruptor, a fin de llevar a cabo varias funciones, como la de interruptores en los rectificadores, de marcha libre en los reguladores conmutados, inversión de carga de capacitores y transferencia de energía entre componentes, aislamiento de voltaje, retroalimentación de la energía de la carga a la fuente de energía y recuperación de la energía atrapada.
Para la mayor parte de las aplicaciones, se puede suponer que los diodos de potencia son interruptores ideales, pero los diodos practicos y reales difieren de las características ideales y tienen ciertas limitaciones. Los diodos de potencia son similares a los diodos de señal de unión p-n. Sin embargo, los diodos de potencia tienen mayores capacidades en el manejo de la energía, el voltaje y la corriente, que los diodos de señal ordinarios. La respuesta a la frecuencia (o velocidad de conmutación) es baja en comparación con los diodos de señal.