Diodos especiales

UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA I - ING. ELECTRICA 1-4- Diodos especiales ---------------------------------------------------------------------------------------------------------

___________________________________________________________________ Apunte de cátedra Autor: Ing. Domingo C. Guarnaschelli

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DIODOS ESPECIALES

Tenemos una gran variedad de semiconductores de una juntura, con características eléctricas especiales. Los más relevantes son los siguientes: Diodo Zener, diodo varicaps., diodo túnel, diodo Schottky, diodo emisor de luz, fotodiodos, diodos de corriente constante, diodos de recuperación en escalón, diodos invertidos. Diodos Zener Estos diodos, tienen propiedades similares a la de un diodo normal “pn”. La característica V—I, obedece en polarizacìon directa, a la característica exponencial donde: id = Is[ e(Vz/η.VT) - 1] para vz > 0. En polarizacìon inversa, el comportamiento es similar al diodo común, siempre que la tensión inversa no sea excesiva. A partir de una determinada tensión inversa, denominada “Vzk”, se produce la “ruptura de la juntura” que hace que aumente notoriamente la corriente inversa, sin que aumente la tensión en sus extremos. Dentro de ciertos límites de corriente inversa, esta ruptura no es destructiva. De allí la aplicación de este elemento como “tensión de referencia” o de “regulación de tensión”. Mecanismo de ruptura: Existen dos formas de ruptura: Ruptura por avalancha y ruptura por efecto Zener. En la primera, los portadores de carga generados térmicamente, adquieren suficiente energía a partir del potencial eléctrico externo aplicado, produciéndose la ruptura de enlaces covalentes generando pares “electrón –huecos”. Estos a su vez también adquieren energía para romper otros enlaces covalentes y así este proceso se hace acumulativo, dando lugar a un aumento de la corriente inversa. Este proceso se denomina “multiplicación por avalancha”. La “ruptura Zener”, se produce por el propio campo eléctrico en la zona de la juntura (zona de la barrera de potencial o campo eléctrico ínter construido) que se ve incrementado por el potencial eléctrico externo aplicado. Este, provoca la separación de los electrones de sus enlaces covalentes, generando los portadores de carga “electrón-hueco”. Un diodo Zener esta construido, drogando fuertemente las regiones p y n de la juntura pn. Para diodos con tensiones de ruptura por debajo de los 6 volt, el mecanismo de ruptura es por “efecto Zener”. Por encima de este valor el mecanismo de ruptura es por “avalancha”. Cualquiera sea el mecanismo de ruptura, se les denomina “diodos Zener”. Características de temperatura: La tensión de ruptura es función de la temperatura. Esta dependencia se especifica, mediante el coeficiente de temperatura, definido como “el cambio de la tensión de referencia (%) por grado centígrado de variación de la temperatura. Este valor suele estar comprendido entre ± 1% / ªC dependiendo de la tensión de ruptura. Para diodos Zener por debajo de los 6 volt, el coeficiente es negativo. Por arriba de 6 volt, es positivo.

iz

vz

Vz=cte

Vzk

Polarización directa

Polarización inversa

Coef.+ Temp.

vz

6 volt



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Resistencia dinámica: En los diodos Zener reales, en la zona de la ruptura, rd no es constante, sino que se va incrementado levemente, con el aumento de de la corriente inversa. La reciproca de la pendiente de la curva V—I , en el punto de funcionamiento se le denomina como ya lo hemos tratado, “resistencia dinámica del diodo Zener” rd = ∆Vz / ∆Iz. Este valor suele estar comprendido en ≈ 5 Ω para diodos Zener con tensiones de ruptura de alrededor de los 6 volt. Este valor, se incrementa para tensiones de ruptura mayores y menores a 6 volt. En la zona del codo de la ruptura (Izk), su valor se incrementa notablemente. Por ejemplo el diodo zener 1N957 tiene una tensión de Zener de Vz = 6,8 volt para una corriente Izt = 18,5 ma, con una resistencia dinámica rd = 4,5 Ω. Para Izk = 1 ma la resistencia dinámica vale rd = 700 Ω. De allí la conveniencia de utilizar los diodos Zener con corrientes por encima de Izk (corriente del codo). Capacidad del diodo Zener: Estos como toda juntura pn, presentan una capacidad (capacidad de transición) cuyo valor varía en razón inversa a la tensión aplicada Ct ≈ 10 a 10.000 pF. Análisis de un circuito básico con diodo Zener Generalmente en los circuitos que se utiliza un diodo Zener, la carga esta conectada en paralelo. Conviene simplificarlo utilizando Thevenin en los puntos A y B del circuito.

Vth = (RL . Vcc) / ( R1+RL) Rth = R1 // RL = R1 . Rl / (R1+RL) Para resolver analíticamente debemos encontrar el modelo aproximado por tramos del diodo Zener y plantear las siguientes ecuaciones: Vth = Rth . iz + vz vz = Vzk + rd . iz Para resolver gráficamente, debemos superponer la recta de carga con la curva del diodo Zener como muestra el dibujo aclarando que la zona de ruptura se la dibuja en el 1º cuadrante.

Vzk

Vth

vz

Iz,Vz

iz

Vth/Rth

Izk



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Problema Para el circuito de la figura, determinar: a)- La tensión sobre la carga b)- La corriente sobre la carga C)- La corriente del diodo

Vzk = 3,0 volt rd = 0 Ω

Problema Resolver los mismos valores del problema con la diferencia de la tensión de ruptura del diodo Zener Vzk = 6,8 volt. Problema Se desea diseñar un circuito reductor de tensión continua para alimentar una carga con una tensión de 9 volt, teniendo en cuenta que la misma tiene un consumo máximo de 0,75 vatios. La fuente primaria, es un toma corrientes de un automóvil el cual suministra una tensión nominal de 12 volt. El circuito deberá mantener la tensión de suministro de 9 volt aun cuando la carga se desconecte, y deberá además hacer frente a las variaciones de la tensión primaria de entrada. Datos: Pomax = 0,75 vatios Pomín = 0 vatios V1nominal = 12 volt V1minimo = 12 volt. V1maximo = 13,6 volt

Solución: Seleccionaremos un diodo Zener con una tensión de ruptura Vzk = 9 volt. La resistencia R1 la determinaremos teniendo en cuenta que el diodo deberá estar conduciendo en todo momento en la zona de ruptura y con una corriente mínima (Izk) dada en la zona del codo. La peor condición, respecto al voltaje de ruptura, se va a dar entonces cuando se este entregando la potencia máxima a la carga y al mismo tiempo la tensión primaria (V1) este en su valor mínimo. RL = Vo2 / Po max = 92 / 0,75 = 108 Ω Io max = VoN / RL = Vzk / RL = 9 / 108 = 83,3 ma Io min = 0 Izk = 1ma (valor adoptado) I1 = Izk + Io max. = 1 + 83,3 = 84,3 ma



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R1 = (V1 min – vz) / I1 = (12 – 9) / 0,0843 = 35,6 Ω PR1 = RL . I12 = 0,25 vatios Con este valor de R1 debemos ahora calcular la corriente máxima que va a circular por el diodo Zener. Esta condición se va a dar cuando tengamos el máximo valor de V1 y la carga desconectada Io = 0 Iz max = (V1 max – vz ) / R1 = (13,6 –9 ) / 35,6 = 130 ma. Con este valor podemos calcular la máxima potencia que deberá disipar el diodo Zener. Pzmax = Izmax. Vz = 1,17 vatios. Con el valor de Vzk, Iz máx. y Pzmax, se deberá seleccionar el diodo que tenga la tensión de ruptura lo mas próximo y su disipación mayor al valor calculado. Otra solución respecto al valor máximo de iz es colocar una resistencia de drenaje para evitar que la corriente de la carga sea cero. Como aclaración final, éste es un cálculo previo dado que se deberá recalcular, en base a los valores de resistencias y diodo adoptados. Diodos de capacidad variable (varicaps) La juntura “pn” presenta características de “capacidad eléctrica” ante variaciones tanto de la tensión inversa aplicada, como de la tensión directa. Podemos entonces distinguir dos tipos de capacidad: la capacidad de la “carga espacial” o de transición (Ct) y la capacidad de difusión o almacenamiento (Cd). Capacidad de transición Ct : Esta capacidad aparece cuando polarizamos inversamente la juntura pn. La polarizacìon inversa provoca que los portadores mayoritarios se alejen de la juntura dejando descubierta la denominada “carga espacial” debido a los átomos ionizados. El grueso de esta capa de carga espacial, aumenta con la tensión inversa. Este aumento de carga puede considerarse como un efecto de capacidad Ct =∆Q/∆V Donde ∆Q es el aumento decaiga provocado por un aumento de ∆V de la tensión aplicada. El valor de Ct lo podemos expresar de la siguiente forma: Ct = ε.A/W ε ≡ permitividad del material A≡ Area de la juntura transversal W≡ Ancho de la zona de la carga espacial El valor de W se puede expresar mediante las siguientes formula: W = √(2.ε.Vj/q.Nd) (raiz al cuadrado); para juntura abrupta tipo aleación W = √(2.ε.Vj/q.Nd) (raiz al cubo); para juntura gradual. Vj = Vo + Vd q ≡ carga del electrón Nd ≡ concentración de impurezas donadoras Vj ≡ Potencial de la juntura o barrera de potencial con tensión externa inversa aplicada. Vo ≡ Barrera de potencial sin tensión externa aplicada Vd ≡ Tensión externa aplicada El valor de Ct es del orden de los pF y como W aumenta con Vj, entonces la capacidad de transición disminuye con el aumento de la tensión inversa aplicada.



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Capacidad de difusión: Esta aparece cuando la juntura esta polarizada directamente. El origen de esta capacidad tiene lugar en el almacenamiento de las cargas inyectadas en la vecindad de la juntura, fuera de la región de transición. La variación de esta carga inyectada, con la variación de la tensión directa aplicad nos define una capacidad incremental: Cd ≡ ∆Q/∆V = τ.I / η.vT = τ .g = τ / r siendo g = dI / dV vT= tension termica ≈ T [ºK]/ 11.600 τ ≡ Tiempo de vida media de los portadores huecos. I ≡ Corriente directa. η ≡ Coeficiente de emisión Por ejemplo si τ = 20 µseg. , η =1 resulta Cd = 20 µF. Como vemos Cd >> Ct. No obstante de ser Cd un valor grande, no tiene en las aplicaciones en gral. Inconvenientes dado que rd (resistencia dinámica directa) es muy bajo y por lo tanto la constante de tiempo “rd.Cd” no es exesiva. Diodo Varicaps Son diodos que se utilizan como capacidad variable aprovechando la variación de la capacidad de transición Ct con la tensión inversa aplicada.

Curvas típicas de variación de Ct Los valores dados en el circuito equivalente son para un determinado diodo varicaps con una determinada tensión inversa. Estos diodos se los utiliza generalmente en sistemas de radiocomunicaciones para los circuitos de sintonización tipo LC o también en osciladores con frecuencias variables. Veamos un circuito básico de aplicación, para sintonización “LC”

Símbolo

Circuito equivalente

Vd inv.(volt)

Ct(pf)

20 10

-4

-12



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C y L forman el circuito de resonancia paralelo principal. L1 acopla la señal sintonizada a las etapas amplificadoras posteriores. C1 acopla, en paralelo al circuito LC (llamado circuito tanque), la capacidad de transición Ct. El filtro L de Choke, impide que la señal de radiofrecuencia, presente el circuito tanque, ingrese a la fuente de alimentación Vcc y a través de ella, provoque inestabilidad en el resto del circuito (realimentación positiva). La fuente de alimentación y el potenciómetro, son los encargados de aplicarle una tensión inversa y variable al diodo barricas. La variación de Ct provoca el cambio de la frecuencia de resonancia del circuito tanque y con ello la sintonización. Diodo Túnel Un diodo común tiene una concentración de impurezas de aproximadamente 1 parte en 108 átomos del semiconductor. Con este dopado, la zona de agotamiento o región de la carga espacial no neutralizada (zona de la barrera de potencial), es del orden de 1 micra. Esta zona es la que restringe la fluencia de portadores mayoritarios de un lado de la juntura hacia el otro. Si la concentración de impurezas se hace una parte en 1034.. átomos del semiconductor, la característica de la juntura cambia completamente. El ancho de la barrera de potencial varía inversamente con la raíz cuadrada de la concentración de impurezas, reduciéndose a solo un cincuentava parte de la longitud de la onda de la luz visible. Con este ancho existe una gran probabilidad de que un electrón penetre a través de la barrera de potencial. Este comportamiento en “Mecánica Quántica” se lo conoce como “efecto túnel”. Estos dispositivos se los denominan o conocen, como diodos túnel. Característica V—I Cuando la tensión directa llega a aproximadamente 0,1 volt y hasta 0,3 volt, el dispositivo presenta una característica de resistencia negativa es decir aumenta la tensión en los extremos con disminución de la corriente. Vp: tensión pico Ip: corriente pico Vv: tensión de valle Iv: corriente de valle

Antena

id

Vd(volt)

Región de resistencia negativa

Ip 1ma

Iv 0,1ma

Vp 0,1

Vv 0,3

Símbolo



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Una de las aplicaciones de los diodos túnel es la generación de altas frecuencias mediante los circuitos osciladores con un rango de frecuencias muy angosto. El reducido rango de tensiones donde ocurre el fenómeno de resistencia negativa, limita sus aplicaciones. Son dispositivos de baja potencia. Las tensiones directas e inversas aplicadas es necesario limitarlas a un mínimo. Los materiales utilizados para su construcción son el Si, GaAs y Ge. Diodo Schottky Es posible lograr dos tipos de unión entre metal y semiconductor: una unión “ohmica” o una unión “rectificante. Para la primera, es el tipo de contacto requerido cuando esta destinado a unirse a un semiconductor, como el caso de los terminales exteriores que se unen al material pn de un diodo. El segundo es un diodo “metal—semiconductor (denominado barrera Schottky), con características eléctricas similares a un diodo pn. Cuando se forma una unión “metal –semiconductor”, (siendo el metal aluminio, o platino), con un semiconductor del tipo “n”, fuertemente impurificado (n+), la unión que se logra es “ohmica”. En cambio si el semiconductor esta ligeramente drogado, se forma una unión “rectificante. El aluminio o el platino, actúan como dopantes del tipo “p” (aceptor) cuando se deposita directamente sobre el silicio tipo “n”.

El dibujo es un diodo Schottky formado bajo la técnica de los circuitos integrados. El Terminal “1” (ánodo), forma una unión rectificante cuando se une el aluminio con el semiconductor silicio tipo “p”. El terminal”2” (cátodo), forman una unión Ohmica cuando se une el aluminio con el semiconductor silicio fuertemente drogado tipo “n+”. A diferencia del diodo de juntura pn de silicio, que tiene un voltaje umbral de alrededor de 0,5 a 0,7 volt, el diodo Schottky se activa con un voltaje de ≈ 0,3 volt. La corriente de saturación inversa “Is” de este diodo es mucho más alta que los de silicio “pn”. Una ventaja importante, es la de poder conmutar de conducción directa a inversa a mas velocidad que un diodo pn, debido a que no presenta prácticamente “carga almacenada Q”, introduciendo menos fluctuaciones de voltaje o ruido eléctrico. Este diodo se utiliza frecuentemente en los circuitos integrados, siendo una de las funciones, la de limitar la caída de tensión directa o inversa de una juntura pn (fijador de tensión Schottky).

Sustrato tipo “p”

Tipo n

Símbolo

Juntura Rectificante

1 2 n+

1 Al 2 SiO2



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Problema En el circuito de la figura, determinar el voltaje del diodo “pn” de silicio y la corriente i1, cuando se aplica una tensión V1= 5 volt. Vγ1(Schottky)=0,3 volt Vγ2(silicio pn) = 0,7 volt

Ambos diodos están polarizados directamente. Cuando la tensión llegue a 0,3 volt, el diodo que comenzara a conducir será el de menor tensión umbral, en este caso el diodo Schottky y que por lo tanto fijara en el mismo valor la tensión del diodo de juntura pn. Vd = Vγ1 =0, 3 volt. i1 = (V1 – Vγ1) / R1 = (5 – 0,3) / 1 = 4,7 ma. Fotodiodos Estos elementos forman parte de la familia de los dispositivos opto electrónicos o fotonicos, siendo su aplicación, en los procesamiento de señales analógicas y digitales. Se utilizan extensamente en redes telefónicas y de computadoras, reproductores de discos compactos (CD, DVD, etc), control a distancia sin cables eléctricos, etc. Constituyen la interfase entre los medios de transmisión ópticos (fibras ópticas) y los sistemas electrónicos. Analizaremos el funcionamiento del fotodiodo:

+ - + - Zona n

+ - zona p+

Azul rojo Infrarrojo ánodo

Fotones de distinta Longitud de onda

w

Zona de la carga espacial

Zona n+

P

RL

N

V1

+ VL -

vp

Símbolo

Ventana

SO2

VD

Cátodo

ip

Luz externa

Lente convergente



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El fotodiodo tiene una estructura similar a un diodo “pn” con la excepción que la juntura pn esta expuesta a la luz a través de un lente concentrador del haz luminoso. Normalmente es operado bajo condiciones de polarizacìon inversa. En ausencia de luz, solamente circula la corriente de los portadores minoritarios (denominada “corriente oscura”) generados térmicamente. Cuando incide la luz, con suficientes “fotones “de energía, se crean pares electrón – huecos en la región de la carga espacial no neutralizada, permitiendo un aumento de la corriente inversa. El número de pares electrón – huecos excedentes generados resulta proporcional a la intensidad de luz incidente, lo que es una medida de los fotones que inciden en la unión por unidad de tiempo. Podemos decir que un fotodiodo funciona como un dispositivo de tres variables: la tensión, la corriente y la intensidad luminosa. En el grafico se puede observar la relación entre las mismas y las características de sensibilidad luminosa: Característica tensión-corriente-intensidad luminosa del fotodiodo

ip[µa]

Polariz. directa

L3=0,3 mw/cm2

L2=0,2 mw/cm2

L1=0,1 mw/cm2

vp[volt] 2 4

2

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Intensidad luminosa cero

región fotovoltaica

1/R2

-1/R1

Polariz. inversa

Sensibilidad (%)

100

20

0,2 500 1000 1500 2000

Long.onda Incidente λ(µ)

Ultravioleta

Luz visible

Infrarrojo próximo

Infrarrojo medio

Ojo humano

Silicio GaAs Germanio



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El grafico muestra la sensibilidad en por ciento (%) de: el ojo humano, el silicio, GaAs, y el germanio. Vemos que el silicio cubre y GaAs (arseniuro de galio) cubre el espectro de luz visible y el infrarrojo próximo. Los elementos emisores como el diodo luminiscente de GaAs, tiene su máxima emisión en la zona de máxima sensibilidad del silicio. Los fotodiodos se fabrican de silicio, GaAs, y de otros semiconductores llamados de”banda de energía directa vacía”. A diferencia del silicio, en el cual los fotones absorbidos deben crear “vibraciones” en la red cristalina (llamadas fonones) para generar pares electrón-huecos, los otros absorben fotones y producen pares electrón—huecos, sin necesidad de producir “fonones” de movimiento lento. Como resultado los fotodiodos fabricados de GaAs son más rápidos para pasar del estado activo al estado inactivo, que los fotodiodos de silicio. En las características V—I, vemos que existe una zona donde para “vp” positivo (polarización inversa) la corriente “ip” permanece prácticamente constante y se la puede expresar de la siguiente forma: Ip = βI . LI βI ≡(intensidad β) es la fotoconductividad del fotodiodo medida en [µa / mw/cm2] LI ≡ intensidad de luz en [mw / cm2] Ip ≡ corriente inversa [µa] La ecuación anterior también se la puede expresar en función del flujo total de luz (Popt) incidente sobre el fotodiodo, medido en [mw]. Ip = R . Popt donde R, es la “responsividad” medida en [ma / mw] La ecuación general del fotodiodo la expresamos como: Ip = Is .[ e(-vp/η.vT) --1] + βI . LI Donde el primer termino representa la corriente de portadores generados por la temperatura y el Segundo termino la corriente debido a la luz incidente sobre el fotodiodo. El fotodiodo como foto-generador (célula fotovoltaica) Si analizamos la característica tensión—corriente del fotodiodo, vemos que con luz incidente y “ vp =0” o sea en cortocircuito, circula una corriente inversa. Para el otro extremo “ip =0” o sea en circuito abierto, aparece una tensión eléctrica en los extremos del fotodiodo. Como vemos entre estos dos extremos actúa como un generador eléctrico fotovoltaico (zona de segmentos azules en la característica V—I).

Circuito como fotodiodo

Circuito como generador fotovoltaico



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Diodos emisores de luz Estos diodos se caracterizan por convertir una corriente eléctrica en una radiación luminosa, en la zona de luz visible e infrarroja. Tienen muchas aplicaciones como dispositivos de exhibición visual, con radiación predominantemente monocromática (varios colores) y como emisores para la transmisión de información por fibras ópticas o excitadores para fotodiodos. En general, podemos clasificarlos en diodos luminosos (LED), diodos infrarrojos (IRD o ILD) y diodos Láser. Los diodos emisores de luz se elaboran a partir de una unión “pn” de silicio, de arseniuro de galio, o de otros semiconductores compuestos del grupo III y V. Estos materiales comparten la propiedad de que al recombinarse los pares electrón—huecos , generan fotones de una sola longitud de onda . Los electrones libres que están en la banda de conducción, con un nivel energético alto, al pasar a la banda de los enlaces covalentes, lo hacen cediendo energía en forma luminosa. Esto se logra cuando se polariza en forma directa la unión “pn”. En esta condición se inyectan electrones y huecos en direcciones opuestas a través de la región de agotamiento. A medida que los pares electrón—huecos se recombinan con huecos y electrones en los lados “p” y “n” de la unión, respectivamente, el diodo emite luz. El espectro de emisión no es monocromático, aunque esta dominado por un solo color. Los materiales utilizados son: GaAs, GP, y mezclas ternarias de Ga (AsP) y As (GaAl). En proporciones adecuadas de estos elementos pueden conseguirse radiaciones visibles de longitudes de onda desde el infrarrojo próximo hasta la zona verde. (Colores rojo, naranja, amarillo, verde). Existen LED (recientemente comercializados) que emiten en “azul”, utilizando el SiC. La potencia óptica de salida, esta relacionada con la corriente directa: Popt = ε. Id ε ≡ emisividad del diodo en [mw/ma] o [µw/ma] La corriente del diodo vale id = .[ e(-vd/η.VT) -1]. La caída de tensión directa vd, varía entre 1,7 y 3,3 voltios, dependiendo del tipo de diodo, el color de su emisión y de la sección transversal del mismo. Los diodos luminosos sufren envejecimiento con las horas de uso. La radiación emitida disminuye. Por ejemplo, para un diodo IRD, su potencia de radiación disminuye en promedia a la mitad, en un tiempo de 10(5) horas. La tensión inversa que soportan los diodos LED, IRD y Láser es muy baja, de alrededor de 6 volt o menos. Los requerimientos de potencia eléctrica son típicamente de 10 a 150 mW, con tiempos de vida superior a las 100000 horas

Cubierta de plástico

Hilo de oro

Semiconductor

Bandeja reflectora

Cátodo Ánodo



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Diodos de corriente constante A diferencia de los diodos Zener que mantienen constante la tensión en sus extremos, los diodos de corriente constante, mantienen la corriente que circula por ellos en forma constante, dentro de una amplia variación de la tensión aplicada. Por ejemplo el diodo 1N5305 es un diodo de corriente cte. Con una corriente típica de 2ma, en un intervalo de tensión de 2 a 100 voltios aplicados en sus extremos. Diodos de recuperación en escalón Estos diodos tienen un perfil de impurezas infrecuente ya que la densidad de portadores, disminuye cerca de la juntura. Esta distribución da lugar a un fenómeno llamado “desplome en inverso”. Durante el semiciclo positivo de una señal alterna, el diodo conduce corriente en forma similar a la de un diodo de silicio. Durante el semiciclo negativo, la corriente inversa conduce durante un tiempo muy corto, reduciéndose luego abruptamente a cero. Esta corriente de “desplome” es muy rica en componentes armónicos de la señal de excitación, por lo que se puede filtrar y obtener ondas senoidales de frecuencia más alta a la original. Debido a esta particularidad, estos diodos se utilizan como multiplicadores de señal. Diodos invertidos Los diodos Zener tienen una tensión de ruptura mayor a 2 voltios. Incrementando el nivel de impurezas, puede lograrse el efecto Zener con tensiones próximas a cero voltios. La conducción con tensión directa ocurre con 0,7 volt, pero con tensión inversa, comienza a conducir con -0,1 volt o menos. Estos diodos se denominan “invertidos” y se utilizan para rectificar señales débiles cuyas amplitudes no superen los +0,7 volt y -0,1 volt.

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