Diodos

Antes de pasar a definir el diodo y su utilización en el campo de la electrónica, es imprencidible aprender sus componentes. Conocemos a los semiconductores como malos conductores de la corriente eléctrica, precisamente por la dificultad a dejarse arrebatar electrones en virtud de su enlace covalente. Pero, ¿qué ocurre si introducimos entre ellos impurezas en su constitución colocando unos pocos átomos extraños que tengan 5 electrones de valencia, o bien 3 electrones de valencia? Podemos encontrar elementos de estas características, tales como el arsenio (As), el antimonio (Sb), el fósforo (P), los cueales tienen 5 electrones de valencia. Y los de 3 electrones, tales como el Indio (In), el Galio (Ga) y el aluminio (Al).

Cristal N: Introduciendo unos átomos de arsenio sobre la estructura atómica del germanio, lo cual se llama dopado, la estructura resultante queda del modo que el átomo de arsenio se integra dentro de la unión covalente de los átomos de germanio, pero el electrón sobrante ahora no tiene cabida en el sistema, de modo que queda como electrón libre. Si ahora aplicamos a uno y otro extremo del material, se establecerá una vía de paso de los electrones desde el polo negativo al positivo, de modo que el cristal se hace conductor. A este tipo de cristal se le denomina conductor N, y al cristal que lo forma cristal N o de tipo N.

Cristal P: Pondemos hacer otra conbinación que va a consistir en la introducción de la impureza a base de utilizar unos átomos que dispongan solamente de 3 electrones de valencia. Si dopamos el material con Indio, por ejemplo, y éste entra a formar parte de la estructura del cristal , habrá un átomo que tendrá su órbita exterior compartida solamente 7 electrones y ello provocará la inestabilidad del conjunto, pero en ves de quedarse con un electrón más, queda con alguna parte del cristal hay un hueco que algún electrón ha de llenar. Ocurre que por la naturaleza de los átomos, el átomo que tiene el huecosuele quedarse con el electrón más próximo que quede a su alcanze, y que en ese caso el otro átomo se quede sin electrón y a consecuencia de que esta situación se efectúa a gran velocidad, se podría hablar de un hueco que está constantemente desplazándose por todo el cristal. De esta manera el cristal resulta positivo(de tipo P) porque si le aplicamos una fuente de alimentación, se establecerá una circulación de huecos del polo positivo al negativo, es decir, los electrones habrán encontrado la vía de los huecos para atravesar todo el cristal.

Cuando unimos un cristal P con un cristal N, estamos creado un elemento de enorme importancia en la electrónica: el Diodo

En efecto: supongamos que tomamos una pieza de germanio y dopamos un extremo del mismo con indio, creando unos huecos en las órbitas de sus electrones exteriores. El extremo opuesto de esta pieza se dopa con arsenio de modo que se crea un exceso de electrones, así se forma la parte de cristal P y la parte de cristal N. En la parte central se mantiene el material prácticamente puro, de modo que se forme una zona que los electrónicos llaman zona de resistencia y también zona agotada (zona Z). Aquí, en las inmediaciones de las zonas P y N los huecos del germanio P han sido ocupados por los electrones libres del germanio N, por lo que no existe en esta parte elementos portadores de carga. La zona Z, por lo tanto, ofrece una elevada resistencia específica, manteniendo el diodo en reposo.

Sometiendo a pruebas eléctricas veremos su curiosa respuesta, al igual que hemos utilizado el germanio para hacer nuestras experiencias, podemos utilizar el silicio, con lo que nuestra experiencia daría los mismos resultados.
Tomemos una fuente de corriente eléctrica y aplicamos el borne negativo sobre el cristal P y el borne positivo sobre el cristal N. El resultado será una concentración de huecos hacia el polo negativo y de electrones libres hacia el polo positivo, con lo cual la zona Z aumentará todavía más su resistencia hasta el punto de que, al estabilizar las órbitas exteriores de la zona Z en una amplia gama, esta parte se comportará como el germanio no dopado, es decir como un cuerpo muy mal conductor de la corriente. Así pues, se ha formado una capa de bloqueo que impide el paso de la corriente en este sentido.
Ahora vamos a realizar la prueba al revés. Conectamos el borne positivo de la fuente de corriente al cristal P, y el borne negativo al cristal N. Ahora el paso de corriente se produce perfectamente la zona de resistencia Z se hace muy pequeña; los electrones del cristal N son repelidos por el potencial negativo de la fuente de alimentación y atraviesan la zona Z ocupando los huecos del cristal P, el cual cede continuamente electrones al polo positivo. La intensidad atravesada es ahora tanta como la proporcionada con el generador de acuerdo con la capacidad de paso del diodo.

Estas dos experiencias nos muestran como este pequeño y sencillo componente puede a veces ser un buen conductor de la corriente y otras mal conductor, vemos que la resistencia que ofrece esta unión PN depende del sentido de la polarización. Al sentido de la corriente de P a N se le llama sentido de paso, y a la disposición opuesta (de N a P) sentido de bloqueo. Al lado P se le da el nombre de ánodo, y al lado N, el nombre de cátodo.

Características técnicas de los Diodos

Hasta aquí ya tenemos una idea del funcionamiento de un diodo; pero conviene que profundicemos un poco más en los conceptos eléctricos que determinan este funcionamiento. Para ello vamos a servirnos de la curva característica típica de un diodo semiconductor imaginario, tal como podemos ver en el gráfico, el cual nos va a dar datos sobre el comportamiento de este componente electrónico.

El comportamiento de los diodos es más o menos similar al proporcionado por esa curva, pero los valores resultantes pueden cambiar según la potencia del diodo. Pasemos a explicar el gráfico entonces:
En primer lugar tenemos la corriente en sentido directo (If) representada en miliamperios (mA) que es la corriente que puede circular por el d iodo cuando éste presenta la mínima resistencia. Por otra parte, en la linea horizontal derecha tenemos la escala de las tensiones directas (Vf) expresadas en voltios (V) a que puede ser sometido el diodo para el paso de la corriente. Todo eso contituye la característica directa, es decir, el paso de la corriente en sentido de paso. Un diodo que tuviera las características representadas en este gráfico, al aplicarle una tensión de 20 V ya dejaría pasar unos 10 mA, pero entre 20 y 35 V se 'dispararía' y dejaría pasar más de 60 mA.
En la característica inversa, que está representada por la izquierda y en la parte baja del gráfico, se trata de mostrar el funcionamiento del diodo en el sentido de bloqueo. Obsérvese que aquí la tensión inversa (Vr) está en unidades de kilovoltios (kV), es decir, fracciones de 1000 V; y la intensidad (Ir) en fracciones mucho más pequeñas, de microamperios (uA), es decir, fracciones que equivalen a 1/1000000 de amperio. Para que la corriente acceda a pasar en sentido contrario en un diodo como el representado se precisaría una tensión entre 500 a 600 voltios con lo cual se produciría el paso de corrientes del orden de los 0,50 miliamperios.
Los valores de la característica inversa se llaman corrientes de fuga (Ir).

Funciones de los Diodos

A primera vista parece que el diodo solamente podría tener la misión de ser un rectificador de corriente, del modo que se usa en el alternador. Pero los diodos sirven para más cosas y existen, además de los diodos llamados de superficie que son los característicos que acabamos de describir, otras formas y funciones para estos componentes electrónicos. A continuación pondremos las funciones de los diodos con su respectiva explicación.

A. Como rectificadores: Este es el empleo más corriente y al que ya hemos explicado.

B. Como protector: Un circuito en donde convenga que la corriente circule solamente en un sentido determinado, y nunca en sentido contrario, puede ser protegido por la presencia de un diodo.

En la imagen vemos un ejemplo en donde se ha colocado un diodo entre un generador de corriente continua y la batería. El diodo no deja pasar la corriente de la batería al generador aún cuado si lo hace desde el generador a la batería de modo que hace las veces de un disyuntor sin contactos móviles ni degaste.

C. Descarga: Puesto en derivación en un circuito dotado de una fuente de autoinducción, tal como se representa en la imagen, un diodo impide el paso de alguna corriente cuando el circuito está alimentado por una corriente exterior; pero permite el paso de una extracorriente de ruptura cuando el interruptor se abre.

D. Otras variantes: Además existen variedad de diodos con características especiales. Así, los hay de disparo, que dejan pasar la corriente cuando se alcanza un determinado valor; los hay luminiscentes, termosensibles, etc. que efectúan trabajos de regulación y estabilización de circuitos.

Clases de Diodos

Pondremos las diferentes clases de diodos que son más comunes dentro de los circuitos electrónicos que podamos usar.

- Diodos de unión.
- Diodos de punta de contacto.
- Diodo emisores de luz.
- Diodo capacitivo (varicap).
- Diodo Zener.
- Diodo túnel.
- Diodo Gunn.

Diodos de unión: Los diodos de unión son los que hemos venido describiendo en esta sección de diodos, es decir, el que consta de un cristal de germanio o de silicio, debidamente dopado, y tiene una forma cilíndrica. Son diodos para baja potencia que se usan mucho como rectificadores de pequeños aparatos. A esta clase de diodo también se le conoce con el nombre de diodos de juntura. Es muy conveniente aprenderse de memoria cada uno de los símbolos electrónicos de los diodos, ello nos facilitará la comprensión de los esquemas, no sólo los de de Areaelectronica.com, sino también cualquier esquema que necesiten entender.

Diodos de punta de contacto: Poseen unas propiedades similiares a los diodos de unión y la única diferencia es, en todo caso, el sistema de construcción que se ha aplicado.

En la imagen se muestra un esquema de uno de estos elementos que consta de una punta de contacto en forma de muelle (1) que se hay conectada con un cristal de tipo P (2), el cual se haya a su vez en contacto con un cristal de tipo N (3). En la parte baja, una base metálica hace de soporte y asegura la rigidez del conjunto. Exactamente igual que ocurre con los diodos de unión, el diodo de punta de contacto se comporta dejando pasar la corriente en un solo sentido.

Diodos emisores de luz: Los diodos emisores también son conocidos con el nombre de LED (iniciales de su denominación inglesa Light Emitter Diode) que tienen la particularidad de emitir luz cuando son atravesados por la corriente eléctrica. Como quiera que consiguen una luz bastante viva y, además, con una mínima cantidad de corriente (del orden a algunas decenas de miliamperios).
Los diodos emisores de luz funcionan por un complicado proceso físico en el que desprenden fotones al volver a su órbita de valencia. La energía luminosa radiada puede ser de color verde si el elemento a sido tratado con galio-fósforo, o roja si lo sido con galio-arsenio. De hecho los galios son muy conocidos por la gran variedad de aplicaciones que se les a encontrado en todo orden de aparatos electrónicos.

Diodo capacitivo (varicap): Este diodo, también llamado diodo de capacidad variable, es, en esencia, un diodo semiconductor cuya característica principal es la de obtener una capacidad que depende de la tensión inversa a él aplicada.
Se usa especialmente en los circuitos sintonizadores de televisión y los de receptores de radio en FM.

Diodo Zener: El diodo Zener, también llamado diodo regulador de tensión, podemos definirlo como un elemento semiconductor de silicio que tiene la característica de un diodo normal cuando trabaja en sentido directo, es decir, en sentido de paso; pero en sentido inverso, y para una corriente inversa superior a un determinado valor, presenta una tensión de valor constante. Este fenómeno de tensión constante en el sentido inverso convierte a los diodos de Zener en dipositivos excepcionalmente útiles para obtener una tensión relativamente invisible a las variaciones de la tensión de alimentación, es decir, como dispositivos reguladores de tensión.

Diodo Tunel: Este diodo presenta una cualidad curiosa que se pone de manifiesto rápidamente al observar su curva característica, la cual se ve en el gráfico. En lo que respecta a la corriente en sentido de bloqueo se comporta como un diodo corriente, pero en el sentido 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 cuado se sobrepasa toda esta zona del valor de la tensión.

Diodo Gunn: Este diodo tiene características muy diferentes a los anteriores, ya que no es rectificador. Se trata de un generador de microondas, formado por un semiconductor de dos terminales que utiliza el llamado efecto Gunn. Cuando se aplica entre ánodo y cátodo una tensión continua de 7 V, de modo que el ánodo sea positivo con respecto al cátodo, la corriente que circula por el diodo es continua pero con unos impulsos superpuestos de hiperfrecuencia que pueden ser utilizados para inducir oscilaciones en una cavidad resonante. De hecho, la emisión de microondas se produce cuando las zonas de campo eléctrico elevado se desplazan del ánodo al cátodo y del cátodo al ánodo en un constante viaje rapidísimo entre ambas zonas, lo que determina la frecuencia en los impulsos.

Código de designación de Diodos Semiconductores

Para la identificación de los diodos semiconductores se utiliza un código que consta de dos letras seguidas de un número de serie:

La primera letra distingue el material del semiconductor empleado.
La segunda letra indica la aplicación principal o aplicación y construcción en el caso de que se prefiera una mayor diferenciación.
El número de serie está formado por tres cifras para los dispositivos semiconductores diseñados para aplicación en aparatos de uso doméstico, o por una letra y dos cifras para los dispositivos semiconductores diseñados para equipos profesionales.

Daremos el significado de cada una de las letras que contituyen este código para podernos orientar en el caso de tener que proceder a la sustitución de algún diodo.

Primera letra. Puede ser:
A, indica que se utilizan materiales tales como el germanio.
B, indica que se utilizan materiales tales como el silicio.
C, que se utiliza antimoniuro de indio o arseniuro de galio.

Segunda letra. Puede ser:
A, si se trata de un diodo que puede ser detector, de alta velocidad o mezclador.
B, si se trata de un diodo de capacidad variable (varicap).
E, si se trata de un diodo tunel.
Y, si se trata de un diodo rectificador.
Z, si se trata de un diodo Zener regulador de tensión.

Número de serie. Varía según el fabricante y el modelo. Cuando hay tres cifras corresponde a modelos de aplicación en aparatos domésticos. Cuando hay una letra y dos cifras se refiere al uso de aparatos profesionales.

Diodos

Antes de pasar a definir el diodo y su utilización en el campo de la electrónica, es imprencidible aprender sus componentes. Conocemos a los semiconductores como malos conductores de la corriente eléctrica, precisamente por la dificultad a dejarse arrebatar electrones en virtud de su enlace covalente. Pero, ¿qué ocurre si introducimos entre ellos impurezas en su constitución colocando unos pocos átomos extraños que tengan 5 electrones de valencia, o bien 3 electrones de valencia? Podemos encontrar elementos de estas características, tales como el arsenio (As), el antimonio (Sb), el fósforo (P), los cueales tienen 5 electrones de valencia. Y los de 3 electrones, tales como el Indio (In), el Galio (Ga) y el aluminio (Al).

Cristal N: Introduciendo unos átomos de arsenio sobre la estructura atómica del germanio, lo cual se llama dopado, la estructura resultante queda del modo que el átomo de arsenio se integra dentro de la unión covalente de los átomos de germanio, pero el electrón sobrante ahora no tiene cabida en el sistema, de modo que queda como electrón libre. Si ahora aplicamos a uno y otro extremo del material, se establecerá una vía de paso de los electrones desde el polo negativo al positivo, de modo que el cristal se hace conductor. A este tipo de cristal se le denomina conductor N, y al cristal que lo forma cristal N o de tipo N.

Cristal P: Pondemos hacer otra conbinación que va a consistir en la introducción de la impureza a base de utilizar unos átomos que dispongan solamente de 3 electrones de valencia. Si dopamos el material con Indio, por ejemplo, y éste entra a formar parte de la estructura del cristal , habrá un átomo que tendrá su órbita exterior compartida solamente 7 electrones y ello provocará la inestabilidad del conjunto, pero en ves de quedarse con un electrón más, queda con alguna parte del cristal hay un hueco que algún electrón ha de llenar. Ocurre que por la naturaleza de los átomos, el átomo que tiene el huecosuele quedarse con el electrón más próximo que quede a su alcanze, y que en ese caso el otro átomo se quede sin electrón y a consecuencia de que esta situación se efectúa a gran velocidad, se podría hablar de un hueco que está constantemente desplazándose por todo el cristal. De esta manera el cristal resulta positivo(de tipo P) porque si le aplicamos una fuente de alimentación, se establecerá una circulación de huecos del polo positivo al negativo, es decir, los electrones habrán encontrado la vía de los huecos para atravesar todo el cristal.

Cuando unimos un cristal P con un cristal N, estamos creado un elemento de enorme importancia en la electrónica: el Diodo

En efecto: supongamos que tomamos una pieza de germanio y dopamos un extremo del mismo con indio, creando unos huecos en las órbitas de sus electrones exteriores. El extremo opuesto de esta pieza se dopa con arsenio de modo que se crea un exceso de electrones, así se forma la parte de cristal P y la parte de cristal N. En la parte central se mantiene el material prácticamente puro, de modo que se forme una zona que los electrónicos llaman zona de resistencia y también zona agotada (zona Z). Aquí, en las inmediaciones de las zonas P y N los huecos del germanio P han sido ocupados por los electrones libres del germanio N, por lo que no existe en esta parte elementos portadores de carga. La zona Z, por lo tanto, ofrece una elevada resistencia específica, manteniendo el diodo en reposo.

Sometiendo a pruebas eléctricas veremos su curiosa respuesta, al igual que hemos utilizado el germanio para hacer nuestras experiencias, podemos utilizar el silicio, con lo que nuestra experiencia daría los mismos resultados.
Tomemos una fuente de corriente eléctrica y aplicamos el borne negativo sobre el cristal P y el borne positivo sobre el cristal N. El resultado será una concentración de huecos hacia el polo negativo y de electrones libres hacia el polo positivo, con lo cual la zona Z aumentará todavía más su resistencia hasta el punto de que, al estabilizar las órbitas exteriores de la zona Z en una amplia gama, esta parte se comportará como el germanio no dopado, es decir como un cuerpo muy mal conductor de la corriente. Así pues, se ha formado una capa de bloqueo que impide el paso de la corriente en este sentido.
Ahora vamos a realizar la prueba al revés. Conectamos el borne positivo de la fuente de corriente al cristal P, y el borne negativo al cristal N. Ahora el paso de corriente se produce perfectamente la zona de resistencia Z se hace muy pequeña; los electrones del cristal N son repelidos por el potencial negativo de la fuente de alimentación y atraviesan la zona Z ocupando los huecos del cristal P, el cual cede continuamente electrones al polo positivo. La intensidad atravesada es ahora tanta como la proporcionada con el generador de acuerdo con la capacidad de paso del diodo.

Estas dos experiencias nos muestran como este pequeño y sencillo componente puede a veces ser un buen conductor de la corriente y otras mal conductor, vemos que la resistencia que ofrece esta unión PN depende del sentido de la polarización. Al sentido de la corriente de P a N se le llama sentido de paso, y a la disposición opuesta (de N a P) sentido de bloqueo. Al lado P se le da el nombre de ánodo, y al lado N, el nombre de cátodo.

Características técnicas de los Diodos

Hasta aquí ya tenemos una idea del funcionamiento de un diodo; pero conviene que profundicemos un poco más en los conceptos eléctricos que determinan este funcionamiento. Para ello vamos a servirnos de la curva característica típica de un diodo semiconductor imaginario, tal como podemos ver en el gráfico, el cual nos va a dar datos sobre el comportamiento de este componente electrónico.

El comportamiento de los diodos es más o menos similar al proporcionado por esa curva, pero los valores resultantes pueden cambiar según la potencia del diodo. Pasemos a explicar el gráfico entonces:
En primer lugar tenemos la corriente en sentido directo (If) representada en miliamperios (mA) que es la corriente que puede circular por el d iodo cuando éste presenta la mínima resistencia. Por otra parte, en la linea horizontal derecha tenemos la escala de las tensiones directas (Vf) expresadas en voltios (V) a que puede ser sometido el diodo para el paso de la corriente. Todo eso contituye la característica directa, es decir, el paso de la corriente en sentido de paso. Un diodo que tuviera las características representadas en este gráfico, al aplicarle una tensión de 20 V ya dejaría pasar unos 10 mA, pero entre 20 y 35 V se 'dispararía' y dejaría pasar más de 60 mA.
En la característica inversa, que está representada por la izquierda y en la parte baja del gráfico, se trata de mostrar el funcionamiento del diodo en el sentido de bloqueo. Obsérvese que aquí la tensión inversa (Vr) está en unidades de kilovoltios (kV), es decir, fracciones de 1000 V; y la intensidad (Ir) en fracciones mucho más pequeñas, de microamperios (uA), es decir, fracciones que equivalen a 1/1000000 de amperio. Para que la corriente acceda a pasar en sentido contrario en un diodo como el representado se precisaría una tensión entre 500 a 600 voltios con lo cual se produciría el paso de corrientes del orden de los 0,50 miliamperios.
Los valores de la característica inversa se llaman corrientes de fuga (Ir).

Funciones de los Diodos

A primera vista parece que el diodo solamente podría tener la misión de ser un rectificador de corriente, del modo que se usa en el alternador. Pero los diodos sirven para más cosas y existen, además de los diodos llamados de superficie que son los característicos que acabamos de describir, otras formas y funciones para estos componentes electrónicos. A continuación pondremos las funciones de los diodos con su respectiva explicación.

A. Como rectificadores: Este es el empleo más corriente y al que ya hemos explicado.

B. Como protector: Un circuito en donde convenga que la corriente circule solamente en un sentido determinado, y nunca en sentido contrario, puede ser protegido por la presencia de un diodo. En la imagen vemos un ejemplo en donde se ha colocado un diodo entre un generador de corriente continua y la batería. El diodo no deja pasar la corriente de la batería al generador aún cuado si lo hace desde el generador a la batería de modo que hace las veces de un disyuntor sin contactos móviles ni degaste.

C. Descarga: Puesto en derivación en un circuito dotado de una fuente de autoinducción, tal como se representa en la imagen, un diodo impide el paso de alguna corriente cuando el circuito está alimentado por una corriente exterior; pero permite el paso de una extracorriente de ruptura cuando el interruptor se abre.

D. Otras variantes: Además existen variedad de diodos con características especiales. Así, los hay de disparo, que dejan pasar la corriente cuando se alcanza un determinado valor; los hay luminiscentes, termosensibles, etc. que efectúan trabajos de regulación y estabilización de circuitos.

Clases de Diodos

Pondremos las diferentes clases de diodos que son más comunes dentro de los circuitos electrónicos que podamos usar.

- Diodos de unión.
- Diodos de punta de contacto.
- Diodo emisores de luz.
- Diodo capacitivo (varicap).
- Diodo Zener.
- Diodo túnel.
- Diodo Gunn.

Diodos de unión: Los diodos de unión son los que hemos venido describiendo en esta sección de diodos, es decir, el que consta de un cristal de germanio o de silicio, debidamente dopado, y tiene una forma cilíndrica. Son diodos para baja potencia que se usan mucho como rectificadores de pequeños aparatos. A esta clase de diodo también se le conoce con el nombre de diodos de juntura. Es muy conveniente aprenderse de memoria cada uno de los símbolos electrónicos de los diodos, ello nos facilitará la comprensión de los esquemas, no sólo los de de Areaelectronica.com, sino también cualquier esquema que necesiten entender.

Diodos de punta de contacto: Poseen unas propiedades similiares a los diodos de unión y la única diferencia es, en todo caso, el sistema de construcción que se ha aplicado. En la imagen se muestra un esquema de uno de estos elementos que consta de una punta de contacto en forma de muelle (1) que se hay conectada con un cristal de tipo P (2), el cual se haya a su vez en contacto con un cristal de tipo N (3). En la parte baja, una base metálica hace de soporte y asegura la rigidez del conjunto. Exactamente igual que ocurre con los diodos de unión, el diodo de punta de contacto se comporta dejando pasar la corriente en un solo sentido.

Diodos emisores de luz: Los diodos emisores también son conocidos con el nombre de LED (iniciales de su denominación inglesa Light Emitter Diode) que tienen la particularidad de emitir luz cuando son atravesados por la corriente eléctrica. Como quiera que consiguen una luz bastante viva y, además, con una mínima cantidad de corriente (del orden a algunas decenas de miliamperios).
Los diodos emisores de luz funcionan por un complicado proceso físico en el que desprenden fotones al volver a su órbita de valencia. La energía luminosa radiada puede ser de color verde si el elemento a sido tratado con galio-fósforo, o roja si lo sido con galio-arsenio. De hecho los galios son muy conocidos por la gran variedad de aplicaciones que se les a encontrado en todo orden de aparatos electrónicos.

Diodo capacitivo (varicap): Este diodo, también llamado diodo de capacidad variable, es, en esencia, un diodo semiconductor cuya característica principal es la de obtener una capacidad que depende de la tensión inversa a él aplicada.
Se usa especialmente en los circuitos sintonizadores de televisión y los de receptores de radio en FM.

Diodo Zener: El diodo Zener, también llamado diodo regulador de tensión, podemos definirlo como un elemento semiconductor de silicio que tiene la característica de un diodo normal cuando trabaja en sentido directo, es decir, en sentido de paso; pero en sentido inverso, y para una corriente inversa superior a un determinado valor, presenta una tensión de valor constante. Este fenómeno de tensión constante en el sentido inverso convierte a los diodos de Zener en dipositivos excepcionalmente útiles para obtener una tensión relativamente invisible a las variaciones de la tensión de alimentación, es decir, como dispositivos reguladores de tensión.

Diodo Tunel: Este diodo presenta una cualidad curiosa que se pone de manifiesto rápidamente al observar su curva característica, la cual se ve en el gráfico. En lo que respecta a la corriente en sentido de bloqueo se comporta como un diodo corriente, pero en el sentido 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 cuado se sobrepasa toda esta zona del valor de la tensión.

Diodo Gunn: Este diodo tiene características muy diferentes a los anteriores, ya que no es rectificador. Se trata de un generador de microondas, formado por un semiconductor de dos terminales que utiliza el llamado efecto Gunn. Cuando se aplica entre ánodo y cátodo una tensión continua de 7 V, de modo que el ánodo sea positivo con respecto al cátodo, la corriente que circula por el diodo es continua pero con unos impulsos superpuestos de hiperfrecuencia que pueden ser utilizados para inducir oscilaciones en una cavidad resonante. De hecho, la emisión de microondas se produce cuando las zonas de campo eléctrico elevado se desplazan del ánodo al cátodo y del cátodo al ánodo en un constante viaje rapidísimo entre ambas zonas, lo que determina la frecuencia en los impulsos.

Código de designación de Diodos Semiconductores

Para la identificación de los diodos semiconductores se utiliza un código que consta de dos letras seguidas de un número de serie:

La primera letra distingue el material del semiconductor empleado.
La segunda letra indica la aplicación principal o aplicación y construcción en el caso de que se prefiera una mayor diferenciación.
El número de serie está formado por tres cifras para los dispositivos semiconductores diseñados para aplicación en aparatos de uso doméstico, o por una letra y dos cifras para los dispositivos semiconductores diseñados para equipos profesionales.

Daremos el significado de cada una de las letras que contituyen este código para podernos orientar en el caso de tener que proceder a la sustitución de algún diodo.

Primera letra. Puede ser:
A, indica que se utilizan materiales tales como el germanio.
B, indica que se utilizan materiales tales como el silicio.
C, que se utiliza antimoniuro de indio o arseniuro de galio.

Segunda letra. Puede ser:
A, si se trata de un diodo que puede ser detector, de alta velocidad o mezclador.
B, si se trata de un diodo de capacidad variable (varicap).
E, si se trata de un diodo tunel.
Y, si se trata de un diodo rectificador.
Z, si se trata de un diodo Zener regulador de tensión.

Número de serie. Varía según el fabricante y el modelo. Cuando hay tres cifras corresponde a modelos de aplicación en aparatos domésticos. Cuando hay una letra y dos cifras se refiere al uso de aparatos profesionales.

Diodos

Antes de pasar a definir el diodo y su utilización en el campo de la electrónica, es imprencidible aprender sus componentes. Conocemos a los semiconductores como malos conductores de la corriente eléctrica, precisamente por la dificultad a dejarse arrebatar electrones en virtud de su enlace covalente. Pero, ¿qué ocurre si introducimos entre ellos impurezas en su constitución colocando unos pocos átomos extraños que tengan 5 electrones de valencia, o bien 3 electrones de valencia? Podemos encontrar elementos de estas características, tales como el arsenio (As), el antimonio (Sb), el fósforo (P), los cueales tienen 5 electrones de valencia. Y los de 3 electrones, tales como el Indio (In), el Galio (Ga) y el aluminio (Al).

Cristal N: Introduciendo unos átomos de arsenio sobre la estructura atómica del germanio, lo cual se llama dopado, la estructura resultante queda del modo que el átomo de arsenio se integra dentro de la unión covalente de los átomos de germanio, pero el electrón sobrante ahora no tiene cabida en el sistema, de modo que queda como electrón libre. Si ahora aplicamos a uno y otro extremo del material, se establecerá una vía de paso de los electrones desde el polo negativo al positivo, de modo que el cristal se hace conductor. A este tipo de cristal se le denomina conductor N, y al cristal que lo forma cristal N o de tipo N.

Cristal P: Pondemos hacer otra conbinación que va a consistir en la introducción de la impureza a base de utilizar unos átomos que dispongan solamente de 3 electrones de valencia. Si dopamos el material con Indio, por ejemplo, y éste entra a formar parte de la estructura del cristal , habrá un átomo que tendrá su órbita exterior compartida solamente 7 electrones y ello provocará la inestabilidad del conjunto, pero en ves de quedarse con un electrón más, queda con alguna parte del cristal hay un hueco que algún electrón ha de llenar. Ocurre que por la naturaleza de los átomos, el átomo que tiene el huecosuele quedarse con el electrón más próximo que quede a su alcanze, y que en ese caso el otro átomo se quede sin electrón y a consecuencia de que esta situación se efectúa a gran velocidad, se podría hablar de un hueco que está constantemente desplazándose por todo el cristal. De esta manera el cristal resulta positivo(de tipo P) porque si le aplicamos una fuente de alimentación, se establecerá una circulación de huecos del polo positivo al negativo, es decir, los electrones habrán encontrado la vía de los huecos para atravesar todo el cristal.

Cuando unimos un cristal P con un cristal N, estamos creado un elemento de enorme importancia en la electrónica: el Diodo

En efecto: supongamos que tomamos una pieza de germanio y dopamos un extremo del mismo con indio, creando unos huecos en las órbitas de sus electrones exteriores. El extremo opuesto de esta pieza se dopa con arsenio de modo que se crea un exceso de electrones, así se forma la parte de cristal P y la parte de cristal N. En la parte central se mantiene el material prácticamente puro, de modo que se forme una zona que los electrónicos llaman zona de resistencia y también zona agotada (zona Z). Aquí, en las inmediaciones de las zonas P y N los huecos del germanio P han sido ocupados por los electrones libres del germanio N, por lo que no existe en esta parte elementos portadores de carga. La zona Z, por lo tanto, ofrece una elevada resistencia específica, manteniendo el diodo en reposo.

Sometiendo a pruebas eléctricas veremos su curiosa respuesta, al igual que hemos utilizado el germanio para hacer nuestras experiencias, podemos utilizar el silicio, con lo que nuestra experiencia daría los mismos resultados.
Tomemos una fuente de corriente eléctrica y aplicamos el borne negativo sobre el cristal P y el borne positivo sobre el cristal N. El resultado será una concentración de huecos hacia el polo negativo y de electrones libres hacia el polo positivo, con lo cual la zona Z aumentará todavía más su resistencia hasta el punto de que, al estabilizar las órbitas exteriores de la zona Z en una amplia gama, esta parte se comportará como el germanio no dopado, es decir como un cuerpo muy mal conductor de la corriente. Así pues, se ha formado una capa de bloqueo que impide el paso de la corriente en este sentido.
Ahora vamos a realizar la prueba al revés. Conectamos el borne positivo de la fuente de corriente al cristal P, y el borne negativo al cristal N. Ahora el paso de corriente se produce perfectamente la zona de resistencia Z se hace muy pequeña; los electrones del cristal N son repelidos por el potencial negativo de la fuente de alimentación y atraviesan la zona Z ocupando los huecos del cristal P, el cual cede continuamente electrones al polo positivo. La intensidad atravesada es ahora tanta como la proporcionada con el generador de acuerdo con la capacidad de paso del diodo.

Estas dos experiencias nos muestran como este pequeño y sencillo componente puede a veces ser un buen conductor de la corriente y otras mal conductor, vemos que la resistencia que ofrece esta unión PN depende del sentido de la polarización. Al sentido de la corriente de P a N se le llama sentido de paso, y a la disposición opuesta (de N a P) sentido de bloqueo. Al lado P se le da el nombre de ánodo, y al lado N, el nombre de cátodo.

Características técnicas de los Diodos

Hasta aquí ya tenemos una idea del funcionamiento de un diodo; pero conviene que profundicemos un poco más en los conceptos eléctricos que determinan este funcionamiento. Para ello vamos a servirnos de la curva característica típica de un diodo semiconductor imaginario, tal como podemos ver en el gráfico, el cual nos va a dar datos sobre el comportamiento de este componente electrónico.

El comportamiento de los diodos es más o menos similar al proporcionado por esa curva, pero los valores resultantes pueden cambiar según la potencia del diodo. Pasemos a explicar el gráfico entonces:
En primer lugar tenemos la corriente en sentido directo (If) representada en miliamperios (mA) que es la corriente que puede circular por el d iodo cuando éste presenta la mínima resistencia. Por otra parte, en la linea horizontal derecha tenemos la escala de las tensiones directas (Vf) expresadas en voltios (V) a que puede ser sometido el diodo para el paso de la corriente. Todo eso contituye la característica directa, es decir, el paso de la corriente en sentido de paso. Un diodo que tuviera las características representadas en este gráfico, al aplicarle una tensión de 20 V ya dejaría pasar unos 10 mA, pero entre 20 y 35 V se 'dispararía' y dejaría pasar más de 60 mA.
En la característica inversa, que está representada por la izquierda y en la parte baja del gráfico, se trata de mostrar el funcionamiento del diodo en el sentido de bloqueo. Obsérvese que aquí la tensión inversa (Vr) está en unidades de kilovoltios (kV), es decir, fracciones de 1000 V; y la intensidad (Ir) en fracciones mucho más pequeñas, de microamperios (uA), es decir, fracciones que equivalen a 1/1000000 de amperio. Para que la corriente acceda a pasar en sentido contrario en un diodo como el representado se precisaría una tensión entre 500 a 600 voltios con lo cual se produciría el paso de corrientes del orden de los 0,50 miliamperios.
Los valores de la característica inversa se llaman corrientes de fuga (Ir).

Funciones de los Diodos

A primera vista parece que el diodo solamente podría tener la misión de ser un rectificador de corriente, del modo que se usa en el alternador. Pero los diodos sirven para más cosas y existen, además de los diodos llamados de superficie que son los característicos que acabamos de describir, otras formas y funciones para estos componentes electrónicos. A continuación pondremos las funciones de los diodos con su respectiva explicación.

A. Como rectificadores: Este es el empleo más corriente y al que ya hemos explicado.

B. Como protector: Un circuito en donde convenga que la corriente circule solamente en un sentido determinado, y nunca en sentido contrario, puede ser protegido por la presencia de un diodo. En la imagen vemos un ejemplo en donde se ha colocado un diodo entre un generador de corriente continua y la batería. El diodo no deja pasar la corriente de la batería al generador aún cuado si lo hace desde el generador a la batería de modo que hace las veces de un disyuntor sin contactos móviles ni degaste.

C. Descarga: Puesto en derivación en un circuito dotado de una fuente de autoinducción, tal como se representa en la imagen, un diodo impide el paso de alguna corriente cuando el circuito está alimentado por una corriente exterior; pero permite el paso de una extracorriente de ruptura cuando el interruptor se abre.

D. Otras variantes: Además existen variedad de diodos con características especiales. Así, los hay de disparo, que dejan pasar la corriente cuando se alcanza un determinado valor; los hay luminiscentes, termosensibles, etc. que efectúan trabajos de regulación y estabilización de circuitos.

Clases de Diodos

Pondremos las diferentes clases de diodos que son más comunes dentro de los circuitos electrónicos que podamos usar.

- Diodos de unión.
- Diodos de punta de contacto.
- Diodo emisores de luz.
- Diodo capacitivo (varicap).
- Diodo Zener.
- Diodo túnel.
- Diodo Gunn.

Diodos de unión: Los diodos de unión son los que hemos venido describiendo en esta sección de diodos, es decir, el que consta de un cristal de germanio o de silicio, debidamente dopado, y tiene una forma cilíndrica. Son diodos para baja potencia que se usan mucho como rectificadores de pequeños aparatos. A esta clase de diodo también se le conoce con el nombre de diodos de juntura. Es muy conveniente aprenderse de memoria cada uno de los símbolos electrónicos de los diodos, ello nos facilitará la comprensión de los esquemas, no sólo los de de Areaelectronica.com, sino también cualquier esquema que necesiten entender.

Diodos de punta de contacto: Poseen unas propiedades similiares a los diodos de unión y la única diferencia es, en todo caso, el sistema de construcción que se ha aplicado. En la imagen se muestra un esquema de uno de estos elementos que consta de una punta de contacto en forma de muelle (1) que se hay conectada con un cristal de tipo P (2), el cual se haya a su vez en contacto con un cristal de tipo N (3). En la parte baja, una base metálica hace de soporte y asegura la rigidez del conjunto. Exactamente igual que ocurre con los diodos de unión, el diodo de punta de contacto se comporta dejando pasar la corriente en un solo sentido.

Diodos emisores de luz: Los diodos emisores también son conocidos con el nombre de LED (iniciales de su denominación inglesa Light Emitter Diode) que tienen la particularidad de emitir luz cuando son atravesados por la corriente eléctrica. Como quiera que consiguen una luz bastante viva y, además, con una mínima cantidad de corriente (del orden a algunas decenas de miliamperios).
Los diodos emisores de luz funcionan por un complicado proceso físico en el que desprenden fotones al volver a su órbita de valencia. La energía luminosa radiada puede ser de color verde si el elemento a sido tratado con galio-fósforo, o roja si lo sido con galio-arsenio. De hecho los galios son muy conocidos por la gran variedad de aplicaciones que se les a encontrado en todo orden de aparatos electrónicos.

Diodo capacitivo (varicap): Este diodo, también llamado diodo de capacidad variable, es, en esencia, un diodo semiconductor cuya característica principal es la de obtener una capacidad que depende de la tensión inversa a él aplicada.
Se usa especialmente en los circuitos sintonizadores de televisión y los de receptores de radio en FM.

Diodo Zener: El diodo Zener, también llamado diodo regulador de tensión, podemos definirlo como un elemento semiconductor de silicio que tiene la característica de un diodo normal cuando trabaja en sentido directo, es decir, en sentido de paso; pero en sentido inverso, y para una corriente inversa superior a un determinado valor, presenta una tensión de valor constante. Este fenómeno de tensión constante en el sentido inverso convierte a los diodos de Zener en dipositivos excepcionalmente útiles para obtener una tensión relativamente invisible a las variaciones de la tensión de alimentación, es decir, como dispositivos reguladores de tensión.

Diodo Tunel: Este diodo presenta una cualidad curiosa que se pone de manifiesto rápidamente al observar su curva característica, la cual se ve en el gráfico. En lo que respecta a la corriente en sentido de bloqueo se comporta como un diodo corriente, pero en el sentido 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 cuado se sobrepasa toda esta zona del valor de la tensión.

Diodo Gunn: Este diodo tiene características muy diferentes a los anteriores, ya que no es rectificador. Se trata de un generador de microondas, formado por un semiconductor de dos terminales que utiliza el llamado efecto Gunn. Cuando se aplica entre ánodo y cátodo una tensión continua de 7 V, de modo que el ánodo sea positivo con respecto al cátodo, la corriente que circula por el diodo es continua pero con unos impulsos superpuestos de hiperfrecuencia que pueden ser utilizados para inducir oscilaciones en una cavidad resonante. De hecho, la emisión de microondas se produce cuando las zonas de campo eléctrico elevado se desplazan del ánodo al cátodo y del cátodo al ánodo en un constante viaje rapidísimo entre ambas zonas, lo que determina la frecuencia en los impulsos.

Código de designación de Diodos Semiconductores

Para la identificación de los diodos semiconductores se utiliza un código que consta de dos letras seguidas de un número de serie:

La primera letra distingue el material del semiconductor empleado.
La segunda letra indica la aplicación principal o aplicación y construcción en el caso de que se prefiera una mayor diferenciación.
El número de serie está formado por tres cifras para los dispositivos semiconductores diseñados para aplicación en aparatos de uso doméstico, o por una letra y dos cifras para los dispositivos semiconductores diseñados para equipos profesionales.

Daremos el significado de cada una de las letras que contituyen este código para podernos orientar en el caso de tener que proceder a la sustitución de algún diodo.

Primera letra. Puede ser:
A, indica que se utilizan materiales tales como el germanio.
B, indica que se utilizan materiales tales como el silicio.
C, que se utiliza antimoniuro de indio o arseniuro de galio.

Segunda letra. Puede ser:
A, si se trata de un diodo que puede ser detector, de alta velocidad o mezclador.
B, si se trata de un diodo de capacidad variable (varicap).
E, si se trata de un diodo tunel.
Y, si se trata de un diodo rectificador.
Z, si se trata de un diodo Zener regulador de tensión.

Número de serie. Varía según el fabricante y el modelo. Cuando hay tres cifras corresponde a modelos de aplicación en aparatos domésticos. Cuando hay una letra y dos cifras se refiere al uso de aparatos profesionales.

Electrónica Diodos en informática

Los sistemas de telecomunicaciones, los sistemas informáticos y los sistemas de radiodifusión se pudieron implementar, tras su concepción, gracias a los dispositivos electrónicos. En sus inicios estos dispositivos estaban basados en válvulas de vacio o de gas que proporcionaban biestabilidad, es decir, podian adoptar dos estados estables, o lo que es to mismo, dos estados lógicos; algo que constituye el fundamento conceptual para el almacenamiento y procesamiento de la información, es decir, la conmutación entre dos estados de un dispositivo.

Las válvulas eran los dispositivos que, gracias a su modo de operación, permitían el almacenamiento y procesamiento de la información en el caso de la informática, y la emisión desde un punto (emisora) a un elevado número de usuarios en el caso de la radiodifusión. Los cables de cobre transmitian la información de voz, lo único posible en esos momentos. Las válvulas funcionaban en modo analógico fundamentalmente, es decir, la señal que se utilizaba como soporte de la información que se debe procesar, almacenar y transmitir era analógica. Eran los tiempos de los primeros ordenadores, ENIAC y UNIVAC, posibles gracias a las investigaciones realizadas por científicos como Turing o Von Neumann.

Durante el tiempo en que el esquema analógico para representar la señal ha permanecido vigente, las telecomunicaciones, la informática y la radiodifusión han constituido departamentos estancos. El área de informática fue la primera en adoptar el esquema basado en electrónica digital para representar la señal. Posteriormente, la digitalización se introdujo en el ámbito de las telecomunicaciones, iniciando su proceso de convergencia con la informática: la señal que era procesada y almacenada en el ordenador era la misma que viajaba por la red. Esta digitalización permitió introducir en las redes potentes sistemas informáticos que las dotaban de inteligencia. No obstante, la electrónica analógica siguió y sigue utilizándose en la circuitería y funciones complementarias como, por ejemplo, la amplificación de las señales.

El paso al estadio digital conllevó la desaparición de las válvulas como elemento de conmutación para dar paso, en la década de los 40, al transistor, basado en material semiconductor; un material cuyas propiedades en lo que a conducción se refiere se sitúan entre el aislante y el conductor, lo que lo hate idóneo para construir dispositivos de conmutación.

La digitalización ha constituido una primera vía de acceso a la interactividad o servicios bidireccionales o two-way, que permiten que el usuario interactúe con el sistema. La segunda via de acceso viene dada por el aumento del ancho de banda.

Por to que se refiere a la radiodifusión, el último área en integrar la tecnología digital y gracias a ells, se incorpora hoy día al ya integrado grupo de telecomunicaciones a informática. En la actualidad, es un hecho habitual la entrada en el negocio de las telecomunicaciones de los operadores tradicionales de radiodifusión que ya tienen capacidad tecnológica para proporcionar servicios interactivos a través de la TV, además de la multiplicidad de canales de TV asociados al propio negocio de la radiodifusión. Se time así la convergencia entre las telecomunicaciones, la informática y la radiodifusión, algo asumido ya, a nivel politico, como se muestra en el Libro Verde de la Comisión Europea sobre Convergencia entre Telecomunicaciones, Informática y Radiodifusión publicado en 1997.

AVANCES ELECTRONICOS

Pero, aunque la digitalización supone una primers condición necesaria para conseguir esta convergencia, no es suficiente, ya que se precisa además conseguir una gran capacidad de transmisión o ancho de banda que permita enviar por las redes información de voz, datos y video indistintamente y de una manera fiable (con calidad de servicio). Sólo de esta forma se puede hablar en realidad de servicios multimedia susceptibles de ser proporcionado tanto a través del cable como del espacio libre

Esta evolución del sistema global ha sido posible debido a los avances en la electrónica subyacente al sistema debido a que la electrónica constituye el primer nivel de abstracción del sistema: se precisan medios para la transmisión que ofrezcan un gran anchode banda por sus propias características físicas, algo que viene dado por la fibra óptica, y componentes que puedan conmutar a gran velocidad y que además se puedan miniaturizar al máximo.

Paralelamente, se han producido los avances en los niveles de abstracción superiores donde se contemplan, entre otros aspectos, la arquitectura, las técnicas le transmisión o los servicios; avances que complementan el potential generado por la evolución experimentada por la infraestructura física. Es este nivel de abstracción donde se inscribe la electrónica del sistema, en base al continuo proceso de miniaturización, el que generó el concepto de microelectrónica, cuyo núcleo es el circuito integrado, inventado por Noyce y Kilby. Basada en tecnología CMOS (y consecuentemente en el ya clásico semiconductor de silicio), la microelectrónica ya está dando paso a la nanotecnología como la siguiente etapa en el proceso de miniaturiación y velocidad de conmutación, una etapa que todavia se encuentra en fase de laboratorio.

Dentro de esta área de microelectrónica, el primer nivel de abstracción aparece en lo que se refiere al material: el semiconductor o material en base al cual se fabrican los dispositivos y componentes que constituyen el circuito integrado. Este material semiconductor, que históricamente ha sido el silicio, ha evolucionado hoy hacia los semiconductores compuestos, semiconductores formados por dos o más elementos de los grupos III-V así como II-VI de la tabla periódica.

El más extendido de estos semiconductores es el arseniuro de galio. Hace solamente unos años, cuando este semiconductor iniciaba el paso del estadio experimental al escenario comercial, el mercado potential se estimaba en el orden de los cientos de millones de dólares. Hoy día, sin embargo, se habla ya del orden de los miles de millones de dólares. Estos semiconductores, por sus excelentes propiedades ópticas y sus capacidades en velocidad de conmutación y para trabajar en el margen de las frecuencias ópticas y de microondas, constituyen el elemento crttico para conseguir las aplicaciones avanzadas que se están observando a nivel de servicio. Para soponar estas aplicaciones se precisan circuitos digitales de alta velocidad, así como láseres de semiconductor y fotodiodos avanzados como elementos de emisión y recepción respectivamente de las señales ópticas que viajan por la fibra óptica, por citar los ejemplos más conocidos.

Por otra parte, en lo que se refiere a las comunicaciones por radio, y en particular las comunicaciones por satélite, su desarrollo es especialmente sensible a la disponibilidad y desarrollo de estos componentes basados en semiconductores compuestos. No obstante, la popular tecnología CMOS basada en un solo semiconductor, el histórico silicio, coexiste actualmente con la tecnología de semiconductores compuestos, ya que representa una solución claramente más madura y con una significativa base instalada. Esto, unido a los grandes esfuerzos que se precisan en el campo de los semiconductores compuestos para mejorar los procesos de fabricación y la calidad del producto final, hace que la tecnología CMOS continúe siendo dominante.

Sin emabrgo desde un punto de vsiat de predicción tecnplógica, el futuro aparece claramente dominado por los semiconductores compuestos, no solo por los factores señalados anteriormente, sino por constituir el semiconductor subyacente a una tecnología emergente de impacto potencial extremadamente elevado: la nanotecnología. Cabe citar las investigaciones que se están realizando en torno a la utilización de compuestos basados en semiconductores históricos, como el propio silicio y el germanio (otro semiconductor histórico), con el fin de obtener un menor consumo de potencia, to que equivale a una mayor integración y a una mayor velocidad de conmutación.





































En este campo están trabajando, entre otras firmas, IBM, que ha anunciado componentes basados en silicio/germanio para aplicaciones de comunicaciones por radio, y en concreto para GSM en sus tres bandas de frecuencia (900, 1800 y 1900 MHz). El precio de estos chips oscila entre 2,25 y 2 dólares. También Alcatel, desde su sede en París, ha anunciado un transmisor óptico y un módulo receptor basado en silicio/germanio.

NANOTECNOLOGIA

La aparición del circuito integrado constituye la primera etapa del proceso de miniaturización de los elementos de circuito electrónico. Cada vez es mayor el número de transistores que se pueden introducir en un microchip; de hecho, en estos momentos, las cifras se están aproximando a 1000 millones de transistores por chip. Además, el tamaño del propio chip sigue disminuyendo, siguiendo la famosa observación de Moore, según la cual el tamaño del chip decrece exponencialmente con el tiempo.

Pero dentro de esta clara tendencia hacia la miniaturización, para poder seguir reduciendo el tamaño es necesario utilizar estructuras cuánticas; es en este momento cuando aparece la nanotecnología como solución. La nanotecnología, que se puede describir como una tecnología genérica basada en emplear dimensiones por debajo de los 1000 nanómetros, ha generado una nueva etapa de la microelectrónica en la que se siguen reduciendo los tamaños del chip mediante la utilización en los componentes de estructuras cuánticas (pozos, hilos, dots) y moléculas.

Dentro de la nanotecnología se ha generado una nueva área conocida como electrónica molecular, que se basa en la utilización de moléculas con capacidad para actuar como componentes electrónicos con muy elevadas velocidades de conmutación y una inherente alta capacidad en lo que se refiere a densidad de componentes (miniaturización). Los dispositivos consisten en macromoléculas conjugadas con una longitud y composición específica.

Las actuaciones en I+D de la Comisión Europea en el ámbito de la nanotecnología se han inscrito, a to largo del pasado IV Programa Marco de Investigación y Desarrollo Tecnológico, en el programa ESPRIT, y concretamente en la iniciativa MEL-ARI (MicroELectronics Advanced Research Initiative) Nanoscale Integrated Circuits. Actualmente, en el contexto del V Programa Marco, la nanotecnología se encuadra en el programa IST (Information Society Technologies)

En la actualidad, las comunicaciones ópticas y la tecnología fotónica en general, fuertemente basadas en componen,es formados por semiconductores compuestos, constituyen la tecnología por excelencia, cuyo futuro se basa en la incorporación de la nanotecnología a sus componentes. En el sistema de comunicaciones ópticas actual se tiene el emisor de luz o radiación óptica, que puede ser un LED (diodo electroluminiscente que emite radiación óptica como respuesta a una excitación mediante señales eléctricas) o un diodo láser. Los LED basados en semiconductores compuestos III-V de la tabla periódica de los elementos presentan una longitud de onda típica de la radiación óptica emitida de 900 nm para arseniuro de galio (AsGa) puro. Pero si se considera una aleación de AsGaAl, esto es, arseniuro de galio aleado con aluminio, la longitud de onda se puede reducir hasta 780 nm. Para longitudes de onda más baja, en la región visible, se suelen utilizar arseniuro de galio con fósforo y fosfuro de galio. Para longitudes de onda mayores, se emplea la aleación indio-arseniuro de galio-fósforo como material típico.

El diodo láser, también conocido como láser de semiconductor, es un dispositivo emisor de radiación láser cuando se le inyectan señales eléctricas. El proceso generador de luz es parecido al del LED y to mismo sucede con los materiales implicados. En el diodo láser se consigue una ganancia óptica elevada y un espectro sumamente estrecho que origina radiación óptica coherente.

A diferencia de los LED, los diodos láser emiten luz parcialmente polarizada y la máxima potencia óptica disponible depende del llamado ciclo de trabajo, es decir, de que el dispositivo trabaje con modulación o sin modulación. Los diodos láser pueden ser de homoestructura (un solo compuesto, como, por ejemplo, arseniuro de galio) o de heteroestructura (más de un compuesto). A su vez, los diodos láser de heteroestructura pueden ser de simple heteroestructura o de doble heteroestructura. En particular, cabe citar los diodos láser de arsenofosfuro de galio-indio por su eficacia en las aplicaciones de transmisión de datos a alta velocidad. Las heteroestructuras constituyen el medio donde se crean las estructuras cuánticas cicadas anteriormente, como pozos, hilos y dots, mediante las cuales se construyen los nanodispositivos.

VCSEL

En el contexto de los sistemas de comunicaciones de datos que incorporan redes ópticas y dispositivos optoelectrónicos, la fuente ideal de radiación óptica debe cumplir los siguientes requisitos: pequeño tamaño, eficiencia elevada y capacidad de modulación de alta velocidad. Un diodo láser que cumple estas condiciones es el VCSEL (Vertical-Cavity-Surface-Emitting Laser). Este tipo de diodo láser avanzado está revolucionando las comunicaciones de datos debido a su eficiencia en las interconexiones ópticas. EN esnecia VCSEL es un diodo laser basado en la recirculación de luz dentro de una cavidad óptica, recirculación se consigue al girar la cavidad 90 grados, con lo cual la luz emitida es perpendicular a la superficie del chip. En VCSEL, la región activa (la región de la hetetructura que emite la radiación) tiene una longitud típica entre 0,01 micras y 0,02 micras y está situada entre dos espejos. Esta relativamente corta longitud requiere la utilización de muchos más espejos reflectores, de forma que estos se comporten como reflectores distribuidos de Bragg. En definitiva, Los VCSEL presentan una estructura compacta y una emisión de superficie eficiente, así como buenas características en cuanto a flexibilidad de diseño se refieren en lo relativo a apertura de salida.

Una de las variantes de VCSEL con más nivel de prestaciones es, por el momento, el VCSEL de óxido confinado, en el que hay una capa de semiconductor susceptible de convertirse en óxido cerca de la región activa, con lo cual se genera una guiaonda óptica.

En lo que se refiere a los dispositivos fotodetectores Dispositivos que detectan radiación óptica y la convierten en señal eléctrica), existen Los dispositivos fotodiodos y fototransistores. Entre Los primeros, Los típicos son los PIN y los fotodiodos de avalancha 'D (avalanche photodiode). Al igual que sucede con los dispositivos optoelectrónicos, los PIN y APD pueden ser de homoestructura y de heteroestructura..

El fototransistor es el conjunto integrado formado por fotodiodo y un transistor bipolar o de efecto de campo. En este componente integrado el fotodiodo tiene por mision captar la luz proveniente de la fibra óptíca, mientras el transistor actúa como amplificador de las señales eléctricas que se hen generado a la salida del fotodiodo. Como ejemplos de este tipo de componentes podemos citar Los PIN-FET (Field Effect Transistor) y los componentes integrados constituidos por un fotodiodo y un HBT (Heterojunction Bipolar Transistor). Un HBT es un transistor bipolar en el que la región de base es de un material distinto de la región de emisor o de la región de colector. ejemplo típico de HBT es un transistor con el emisor de arseniuro de galio-aluminio, la base de arseniuro de galio y el colector también de arseniuro de g;alio, con lo que está claro que este HBT es de simple heteroestructura.



SOLITONES OPTICOS



Los solitones se inscriben en el estadio más avanzado estado del arte en comunicaciones ópticas. Se pueden describir como ondas luminosas solitarias asociadas al concepto de no-linealidad. Se dice que sistema presenta un comportamiento no lineal cuando produce un efecto que no sigue una variación lineal con la potencia de entrada. Esto se puede aplicar por ejemplo, a la fibra óptica. Grosso modo, podemos afirmar que el comportamiento de un sistema es al cuando la potencia de entrada es relativamente baja. Si esta potencia aumenta, es posible alcanzar un umbral de forma que el comportamiento del sistema se convierte en no lineal. SI el umbral es sufucientemente bajo, de forma que resulta suficientemente sensible a Las potencies ópticas, se puede considerar el sistema como no lineal.

Un solitón óptico es un pulso óptico que se propaga sin cambiar su forma, ya que se frets de una onda estable, a través de una fibre óptica monomodo en la llamada región de dispersión anómala, que corresponde a longitudes de onda menores que 1,3 micras pare fibres de sílice.

Los solitones constituyen el resultado de la interacción entre el efecto Kerr y la dispersión negativa de la velocidad de grupo de las ondas (dispersiónanómala), que es un efecto no lineal, es decir, el solitón se genera gracias a las propiedades no lineales de la fibra. A medida que el solitón recorre la fibra, debido a las pérdidas de de la propia fibra se va debilitando ya que la intensidad de Los pulsos decrece, lo que hace que el efecto Kerr quede también debilitado y el solitón pierda sus características (se va deformando). Pare resolver este problems se emplean técnicas de compensación basadas en la dispersión Raman estimulada y que consisten esencialmente en la excitación periódica de la fibre mediante pulsos de bombeo de onda continua en ambas direcciones a través de acopladores direccionales dependientes de la longitud de onda. De esta forma se consigue que Los pulsos debilitados se amplifiquen y recuperen su forma original. La tecnología relacionada con la propagación de solitones a través de la fibra óptica se puede combinar ventajosamente con la técnica de multiplexación por división de longitud de onda óptica en su variante llamada dense, o sea, DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing).

En este campo trabaja Pirelli Cables, que, en su sede de Milán, ha desarrollado recientemente un sistema DWDM de 128 canales cada uno de ellos capaz de transporter hasta 10 gigabits de información por segundo y que utilice solitones como elemento de propagación: la capacidad del sistema es lo que permite proporcionar 16,5 millones de llamadas telefónicas simultáneas.

Se puede demostrar matemáticamente que la propagación de luz a base de solitones conlleva altas velocidades de transmisión a to largo de distancias considerables. E1 objetivo principal de cara a un desarrollo pleno de Los sistemas basados en solitones es el aumento de la distancia de propagación. Los esfuerzo en I+D se dirigen principalmente en esta línea y de tratar de mejorar las características de propagación.

Fuente: Comunicaciones World. Núm. 143

http://www.um.es/docencia/b arzana/DIVULGACION/ELECTRONICA/Diodos.html

Diamond Structures

Diamond lattice structure

The diamond lattice (formed by the carbon atoms in a diamond crystal) consists of two interpenetrating face centered cubic Bravais lattices, displaced along the body diagonal of the cubic cell by one quarter the the length of the diagonal. It can be regarded as a face centered cubic lattice with the two-point basis:

where a is the lattice constant. The conventional cubic cell of the diamond lattice is shown in Fig.1.

Figure 1 (For animation, click on the picture...)

For clarity, the blue and green sites correspond to one of the two interpenetrating fcc lattices, and the light-blue sites correspond to another of the two interpenetrating fcc lattices. Nearest neighbor bonds have been drawn. The four nearest neighbors of each point form the vertices of a regular tetrahedron.
The diamond lattice is not a Bravais lattice, because the environment of each point differs in orientation from the environment of its nearest neighbors.
The 4x4 cell of the diamond lattice is shown in Fig.2.

Figure 2 (To get the big picture, click on it...)

GaAs structure

GaAs has equal numbers of gallium and arsenic ions distributed on a diamond lattice so that each has four of the opposite kind as nearest neighbors, as shown in Fig.3.

Figure 3

In the Fig.3, for example, the blue sites correspond to gallium ions and the green sites correspond to arsenic ions.
This structure is an example of a lattice with basis, which must be so described both because of the geometrical position of the ions and because two types of ions occur.
The 4x4 cell of the GaAs lattice is shown in Fig.4.

Figure 4 (To get the big picture, click on it...)

1. Crystal structures

1.1 Primitive lattice Cell

An ideal crystal is constructed by the infinite repetition of identical structural units in space. In the simplest crystals the structural unit is a single atom, as in copper, silver, gold, iron, aluminium, and the alkali metals.

The structure of all crystals can be described in terms of a lattice, with a group of atoms attached to every lattice point. The group of atoms is called the basis; when repeated in space it forms the crystal structure. The basis consists of a primitive cell, containing one single lattice point. Arranging one cell at each lattice point will fill up the entire crystal.

1.2 Simple Crystal Structures

There are several types of crystal structures. The simplest one is the simple cubic lattice (sc). Two other cubic lattices are the body-centered (bcc) and the face-centered (fcc) cubic lattice.

Figure 1.2.1. Body-centered cubic (bcc) lattice	Figure 1.2.2. Face-centered cubic (fcc) lattice

1.3 Diamond and zinkblend lattice structures

The diamond lattice structure is very common in semiconductor materials, Si, Ge. GaAs and GaP has a zinkblende lattice structure which is similar to the diamond lattice structure. The difference between the face-centered lattice structure and the diamond lattice structure is four atoms (see pictures). In the GaAs these four atoms are Ga-atoms and the rest are As-atoms.

Figure 1.3.1. Diamond lattice structure

1.4 Reciprocal lattice

The electron density at each atom depends on the numder of electrons per atom, binding type and the lattice structure. The lattice structure is periodical in 3D and therefore is the electron density periodical in 3D. A periodic function can be expanded into a Fourier series. We are often familiar with the concept of Fourier series in one dimension (from signal theory), while Fourier series in 3D feels more abstract. However, the extention of the Fourier analysis to periodical functions in 3D is straightforward and it turns out that we can write the Fourier series in the same way as:

To proceed futher with the Fourier analysis of the electron concentration we must find the vectors G of the Fourier sum. G can be constructed from the axis vectors b1, b2, b3 of the reciprocal lattice:

The vectors a1, a2, a3 are primitive translation vectors or primitive basis for the real space lattice, while b1, b2, b3G is called a reciprocal lattice vector. All reciprocal lattice vectors can be expressed as a linear combination of b1, b2, b3 using integer coefficients. Exemples of reciprocal lattice vectors:


are primitive translation vectors or primitive basis for the reciprocal lattice.

G=b1+b2+b3

G=b1-2*b2+2*b3

G=-3*b1-10*b2-2*b3

Figure 1.4.1. Real space lattice	Figure 1.4.2. Reciprocal lattice

Q1.4.1 Which type of lattice structures are the real space lattice in figure 1.4.1 and the corresponding reciprocal lattice in figure 1.4.2 (the red atoms are the corners of the primitive cell)?

The reciprocal lattice is a lattice in the Fourier space associated with the crystal. Wavevectors are allways drawn in Fourier space, so that every position in Fourier space may have a meaning as a description of a wave, but there is a special significance to the points defined by the set of G's associated with a crystal structure. The set of reciprocal lattice vectors G determines the possible x-ray reflections (Bragg reflections). This makes it possible to study the reciprocal lattice structure using x-ray diffraction.

1.5 Brillouin zones

A Brillouin zone is defined as a Wigner-Seitz primitive cell in the reciprocal lattice. A wigner-Seitz primitive cell can be constructed following this procedure:

draw lines to connect a given lattice point to all nearby lattice points.

at the midpoint and normal to these lines, draw new lines or planes.

the smallest volyme enclosed in this way is the Wigner-Seits primitive cell.

In the following illustrations several Brillouin zones has been constructed including the first zone (marked as green) for two different reciprocal lattices.

Figure 1.5.1. The construction of Brillouin zones in a square reciprocal lattice in two dimensions	Figure 1.5.2. The construction of Brillouin zones in an oblique reciprocal lattice in two dimensions

This procedure gives the first Brillouin zone which plays an important roll in the field of solid state electronics. The allowed energy levels within the first Brillouin zone is directly related to the electrical properties of the material.

Q1.5.1 Find the corners of the polygon holding the first Brillouin zone for a 2D lattice with the primitive vectors of the crystal as a1=a*[10x+y]/sqrt(26), a2=a*[x+5y]/sqrt(26).

1.6 Origin of the Energy Gap in solids

In this section we will look upon an electron as a propagating wave, as first suggested by de Broglie. A wave propagating in a crystal can be disturbed by Bragg reflection. The propability to find an electron at a certain location can be calculated using the Schrödinger equation. At Bragg reflections wavelike solutions to the Schrödinger equation do not exist.

The Bragg condition is:

In one dimension the condition becomes:

where n=1,2,3..... and a is the lattice constant.

The first reflection and the first energy gap occurs at n=1.

Figure 1.6.1 Left: Plot of energy versus wavevector k for a free electron. Right: Plot of energy versus wavevector k for an electron in a monatomic linear lattice of lattice constant a.

The energy gap Eg is assosiated with the first Bragg reflection at the first Brillouin zone boundary (n=1). The Bragg reflections at the zone boundaries will make standing waves in the crystal. A wave that travels neither to the left nor to the right is a standing wave: it does not go anywhere. There are two different standing waves that can occure: one representing the difference of a right and a left-directed wave and one representing the sum of a right and a left-directed wave. In figure 1.6.3 the first is called standing wave 1 and the second standing wave 2.

Figure 1.6.2 One dimensional periodic potential

Figure 1.6.3 Distribution of probability density in the periodic potential for standing wave 1 and 2. The standing wave 1 piles up charges in the region between the ion cores while standing wave 2 piles up charges around the core points.

The standing wave 2 piles up electrons around the postitive ion cores, which means that the average potential energy will be lower than for a free traveling wave (constant probability density). The potential energy corresponding to standing wave 1 will have higher potential energy than a free traveling wave, since it piles up electrons between the ion cores (not compensated by positive ions). The energy difference between the standing waves is the origin to the energy gap Eg.

The relation between the electron energy and the electron wave vector is called the band structure. The band structure is directly related to the crystall structure of the material. In the following section we will calculate the band structure for a square-well periodic potential. Band structure calculation of a real lattice is much more complicated and this exemple should be looked upon as a simple demonstration.

Figure 1.6.4 One dimesional periodic potential model.

We will use the limit where U0 approaching positive infinity and b approaches zero (a series of delta functions). Solving the Schrödinger equation in for this potential structure gives the following band structure.

Figure 1.6.5 Normalized energy versus normalized wave vector for the potential structure shown in figure 1.6.4. Note that the energy gap is always at the zone boundaries.

The band structure in figure 1.6.5 is plotted in several Brillouin zones. Usually a band structure is only plotted in the first Brillouin zone. We can transform figure 1.6.5 into a first brillouin zone plot by adding reciprocal lattice vectors until we get the proper format as in figure 1.6.6.

Figure 1.6.6 Normalized energy versus normalized wave vector in the first Brillouin zone for the potential structure shown in figure 1.6.4.

Real crystals are three dimensional, which means that there are energy values associated with each wave vector k=(kx,ky,kz). The band structure is in general divided into several bands, band 1, band 2, band 3 and so on. Figure 1.6.7a and figure 1.6.7b shows two of the Silicon band.

Figure 1.6.7a The first conduction band in Silicon.

Figure 1.6.7b The second conduction band in Silicon.

The band structure will deside how many wave vector states that are available for each energy level. If we consider all the available wave vectors for a specific energy level, we will be able to construct a 3D surface for each energy level. If we integrate all the available wave vectors in the 3D surface and multiply it with two (including spin up and spin down), we will get the total available wave vector states associated with that perticular energy level (density of states). In figure 1.6.8 to 1.6.10, constant energy surfaces has been plotted for the first conduction band and the first and second valence band in silicon.

Figure 1.6.8 Constant energy surface for the first conduction band in Silicon. Notice that the energy minima is not located at the first Brillouin zone. The energy value is 0.25eV above the conduction band minima. (The MPEG-movie starts at 0.0eV and stops at 0.25eV above the minima.)

Figure 1.6.9 Constant energy surface for the first valence band in Silicon. The wraped sphere is located at the center of the first Brillouin zone. The energy value is 0.5eV below the valence band maxima. (The MPEG-movie starts at 0.01eV and stops at 0.5eV below the maxima.)

Figure 1.6.10 Constant energy surface for the second valence band in Silicon. The wraped sphere is located at the center of the first Brillouin zone. The energy value is 0.5eV below the valence band maxima. (The MPEG-movie starts at 0.01eV and stops at 0.5eV below the maxima.)

Newtons equations for an electron in a semiconductor crystal can be written as:

Notice that the electric field will change the electron position in the reciprocal space and the corresponding movement in real space depends on the gradient of the band structure.

Q1.6.1 In figure 1.6.8 to 1.6.10 constant energy surfaces has ben plotted in the first Brillouin zone. How can we see that the band gap between valence and conduction band is indirect?

Q1.6.2 The effective mass approximation assumes that we can consider the electron or hole as a free particle. What is the difference between figure 1.6.8 to 1.6.10 and the corresponding energy bands using an effective mass appoach?

Hint: The band structure for an effective mass model is:

Q1.6.3 An electron is located at r0=[0,0,0], k0=[0,0,0] and a constant electric field of 10KV/cm is applied in the [1,1,0] direction. Use an effective mass band structure to find the final position of the electron in k-space and in r-space after 0.1 ps.

Q1.6.3 Which figure (1.6.9 or 1.6.10) correspondes to so called heavy holes?