Diodo

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Vista cercana de un diodo de silicio. El ánodo está en el lado derecho; el cátodo está en el lado izquierdo (donde está marcado con una banda negra). El cristal de silicio cuadrado se puede ver entre los dos cables.
Varios diodos semiconductores. Abajo: Un puente rectificador . En la mayoría de los diodos, una banda pintada de blanco o negro identifica el cátodo en el que fluirán los electrones cuando el diodo esté conduciendo. El flujo de electrones es el reverso del flujo de corriente convencional . [1] [2] [3]
Estructura de un diodo de tubo de vacío . El filamento en sí puede ser el cátodo, o más comúnmente (como se muestra aquí) se usa para calentar un tubo de metal separado que sirve como cátodo.

Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que conduce la corriente principalmente en una dirección ( conductancia asimétrica ); tiene una resistencia baja (idealmente cero) en una dirección y una resistencia alta (idealmente infinita) en la otra. Un tubo de vacío de diodo o diodo termoiónico es un tubo de vacío con dos electrodos , un cátodo calentado y una placa , en el que los electrones pueden fluir en una sola dirección, del cátodo a la placa. Un diodo semiconductor , el tipo más utilizado en la actualidad, es un diodo cristalinopieza de material semiconductor con una unión p-n conectada a dos terminales eléctricos. [4] Los diodos semiconductores fueron los primeros dispositivos electrónicos semiconductores . El físico alemán Ferdinand Braun descubrió la conducción eléctrica asimétrica a través del contacto entre un mineral cristalino y un metal en 1874. Hoy en día, la mayoría de los diodos están hechos de silicio , pero también se utilizan otros materiales semiconductores como el arseniuro de galio y el germanio . [5]

Funciones principales

La función más común de un diodo es permitir que una corriente eléctrica pase en una dirección (llamada dirección directa del diodo ), mientras la bloquea en la dirección opuesta (la dirección inversa ). Como tal, el diodo puede verse como una versión electrónica de una válvula de retención . Este comportamiento unidireccional se denomina rectificación y se utiliza para convertir corriente alterna (CA) en corriente continua (CC). Formas de rectificadores , los diodos se pueden usar para tareas tales como extraer modulación de señales de radio en receptores de radio .

Sin embargo, los diodos pueden tener un comportamiento más complicado que esta simple acción de encendido y apagado, debido a sus características de corriente-voltaje no lineales . [6] Los diodos semiconductores comienzan a conducir electricidad solo si existe cierto voltaje de umbral o voltaje de corte en la dirección directa (un estado en el que se dice que el diodo está polarizado en directa ). La caída de voltaje a través de un diodo con polarización directa varía solo un poco con la corriente y es una función de la temperatura; este efecto se puede utilizar como sensor de temperatura o como referencia de tensión. Además, la alta resistencia de los diodos a la corriente que fluye en la dirección inversa cae repentinamente a una resistencia baja cuando el voltaje inverso a través del diodo alcanza un valor llamado voltaje de ruptura .

La característica de corriente-voltaje de un diodo semiconductor se puede adaptar seleccionando los materiales semiconductores y las impurezas dopantes introducidas en los materiales durante la fabricación. [6] Estas técnicas se utilizan para crear diodos de propósito especial que realizan muchas funciones diferentes. [6] Por ejemplo, los diodos se utilizan para regular el voltaje ( diodos Zener ), para proteger circuitos de sobretensiones ( diodos de avalancha ), para sintonizar electrónicamente receptores de radio y televisión ( diodos varactor ), para generar oscilaciones de radiofrecuencia ( diodos de túnel ). , Diodos Gunn ,diodos IMPATT ), y para producir luz ( diodos emisores de luz ). Los diodos de túnel, Gunn e IMPATT exhiben resistencia negativa , lo cual es útil en microondas y circuitos de conmutación.

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

Historia

Los diodos termoiónicos ( tubos de vacío ) y los diodos de estado sólido (semiconductores) se desarrollaron por separado, aproximadamente al mismo tiempo, a principios del siglo XX, como detectores de receptores de radio . [7] Hasta la década de 1950, los diodos de vacío se usaban con más frecuencia en las radios porque los primeros diodos semiconductores de contacto puntual eran menos estables. Además, la mayoría de los equipos receptores tenían tubos de vacío para la amplificación que podían tener fácilmente los diodos termoiónicos incluidos en el tubo (por ejemplo, el triodo de doble diodo 12SQ7 ), y los rectificadores de tubo de vacío y los rectificadores llenos de gas eran capaces de manejar algunos de alto voltaje. /tareas de rectificación de alta corriente mejor que los diodos semiconductores (comorectificadores de selenio ) que estaban disponibles en ese momento.

Diodos de tubo de vacío

En 1873, Frederick Guthrie observó que una bola de metal candente puesta a tierra que se acercaba a un electroscopio descargaría un electroscopio con carga positiva, pero no un electroscopio con carga negativa. [8] [9]

En 1880, Thomas Edison observó una corriente unidireccional entre los elementos calentados y no calentados en una bombilla, más tarde llamado efecto Edison , y se le otorgó una patente sobre la aplicación del fenómeno para su uso en un voltímetro de CC . [10] [11]

Unos 20 años después, John Ambrose Fleming (asesor científico de Marconi Company y ex empleado de Edison) se dio cuenta de que el efecto Edison podía usarse como un detector de radio . Fleming patentó el primer diodo termoiónico verdadero, la válvula Fleming , en Gran Bretaña el 16 de noviembre de 1904 [12] (seguido por la patente estadounidense 803.684 en noviembre de 1905).

A lo largo de la era de los tubos de vacío, los diodos de válvula se utilizaron en casi todos los dispositivos electrónicos, como radios, televisores, sistemas de sonido e instrumentación. Lentamente perdieron cuota de mercado a partir de finales de la década de 1940 debido a la tecnología de rectificadores de selenio y luego a los diodos semiconductores durante la década de 1960. Hoy en día todavía se utilizan en algunas aplicaciones de alta potencia donde su capacidad para soportar voltajes transitorios y su robustez les da una ventaja sobre los dispositivos semiconductores y en aplicaciones de instrumentos musicales y audiófilos.

Diodos de estado sólido

En 1874, el científico alemán Karl Ferdinand Braun descubrió la "conducción unilateral" a través de un contacto entre un metal y un mineral . [13] [14] Jagadish Chandra Bose fue el primero en usar un cristal para detectar ondas de radio en 1894. [ 15 ] Greenleaf Whittier Pickard , quien inventó un detector de cristal de silicio en 1903 y recibió una patente el 20 de noviembre de 1906. [16]Otros experimentadores probaron una variedad de otros minerales como detectores. Los principios de los semiconductores eran desconocidos para los desarrolladores de estos primeros rectificadores. Durante la década de 1930, la comprensión de la física avanzó y, a mediados de la década de 1930, los investigadores de Bell Telephone Laboratories reconocieron el potencial del detector de cristal para su aplicación en la tecnología de microondas. [17] Investigadores de Bell Labs , Western Electric , MIT , Purdue y en el Reino Unido desarrollaron intensamente diodos de contacto puntual ( rectificadores de cristal o diodos de cristal ) durante la Segunda Guerra Mundial para su aplicación en radar. [17]Después de la Segunda Guerra Mundial, AT&T los usó en sus torres de microondas que atravesaban los Estados Unidos, y muchos equipos de radar los usan incluso en el siglo XXI. En 1946, Sylvania comenzó a ofrecer el diodo de cristal 1N34. [18] [19] [20] A principios de la década de 1950, se desarrollaron los diodos de unión.

Etimología

En el momento de su invención, los dispositivos de conducción asimétrica se conocían como rectificadores . En 1919, el año en que se inventaron los tetrodos , William Henry Eccles acuñó el término diodo de las raíces griegas di (de δί ), que significa 'dos', y ode (de οδός ), que significa 'camino'. La palabra diodo , sin embargo, así como triodo , tetrodo , pentodo , hexodo , ya se usaban como términos de telegrafía multiplex . [21]

Rectificadores

Aunque todos los diodos rectifican , el término rectificador generalmente se aplica a los diodos destinados a aplicaciones de suministro de energía para diferenciarlos de los diodos destinados a circuitos de señal pequeña .

Diodos de tubo de vacío

El símbolo de un diodo de tubo de vacío calentado indirectamente. De arriba a abajo, los nombres de los elementos son: placa , cátodo y calentador .

Un diodo termoiónico es un dispositivo de válvula termoiónica que consta de una envoltura sellada de vidrio o metal al vacío que contiene dos electrodos : un cátodo y una placa . El cátodo se calienta indirectamente o se calienta directamente . Si se emplea calentamiento indirecto, se incluye un calentador en el sobre.

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

Un tubo de vacío que contiene dos diodos de potencia.

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

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

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

Diodos semiconductores

Primer plano de un diodo de punto de contacto de germanio EFD108 en un paquete de vidrio DO7, que muestra el alambre de metal afilado ( bigotes de gato ) que forma la unión del semiconductor.

Diodos de contacto puntual

Los diodos de contacto puntual se desarrollaron a partir de la década de 1930, a partir de la primera tecnología de detectores de cristal , y ahora se usan generalmente en el rango de 3 a 30 gigahercios. [17] [22] [23] [24] Los diodos de contacto puntual utilizan un alambre de metal de diámetro pequeño en contacto con un cristal semiconductor y son del tipo de contacto no soldado o del tipo de contacto soldado . La construcción de contactos no soldados utiliza el principio de barrera de Schottky. El lado metálico es el extremo puntiagudo de un alambre de pequeño diámetro que está en contacto con el cristal semiconductor. [25] En el tipo de contacto soldado, se forma una pequeña región P en el cristal de otro tipo N alrededor de la punta de metal durante la fabricación al pasar momentáneamente una corriente relativamente grande a través del dispositivo. [26] [27] Los diodos de punto de contacto generalmente exhiben una capacitancia más baja, una mayor resistencia directa y una mayor fuga inversa que los diodos de unión.

Diodos de unión

diodo de unión p-n

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

Diodo Schottky

Otro tipo de diodo de unión, el diodo Schottky , se forma a partir de una unión metal-semiconductor en lugar de una unión ap-n, lo que reduce la capacitancia y aumenta la velocidad de conmutación. [28] [29]

Característica corriente-tensión

Características I–V (corriente frente a voltaje) del diodo de unión ap–n

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

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

Un diodo de unión PN en modo de polarización directa, el ancho de agotamiento disminuye. Las uniones p y n están dopadas a un nivel de dopaje de 1e15/cm3 , lo que genera un potencial incorporado de ~0,59 V. Observe los diferentes niveles de cuasi Fermi para la banda de conducción y la banda de valencia en las regiones n y p (curvas rojas).

Sesgo inverso

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

Sesgo directo

Sin embargo, si la polaridad del voltaje externo se opone al potencial incorporado, la recombinación puede continuar nuevamente, dando como resultado una corriente eléctrica sustancial a través de la unión p-n (es decir, un número sustancial de electrones y huecos se recombinan en la unión). Para los diodos de silicio, el potencial incorporado es de aproximadamente 0,7 V (0,3 V para germanio y 0,2 V para Schottky). Por lo tanto, si se aplica un voltaje externo mayor y opuesto al voltaje incorporado, fluirá una corriente y se dice que el diodo está "encendido" ya que se le ha dado una polarización directa externa . Se dice comúnmente que el diodo tiene un voltaje de "umbral" directo, por encima del cual conduce y por debajo del cual se detiene la conducción. Sin embargo, esto es solo una aproximación ya que la característica de avance es suave (consulte el gráfico IV anterior).

La característica I-V de un diodo se puede aproximar mediante cuatro regiones de operación:

  1. En una polarización inversa muy grande, más allá del voltaje inverso máximo o PIV, ocurre un proceso llamado ruptura inversa que provoca un gran aumento en la corriente (es decir, se crea una gran cantidad de electrones y huecos en la unión p-n y se alejan de ella). ) que suele dañar el dispositivo de forma permanente. El diodo de avalancha está diseñado deliberadamente para usarse de esa manera. En el diodo Zener , el concepto de PIV no es aplicable. Un diodo Zener contiene una unión p-n fuertemente dopada que permite que los electrones pasen de la banda de valencia del material de tipo p a la banda de conducción del material de tipo n, de modo que el voltaje inverso se "sujeta" a un valor conocido ( llamado voltaje Zener), y la avalancha no ocurre. Sin embargo, ambos dispositivos tienen un límite para la corriente y la potencia máximas que pueden soportar en la región de voltaje inverso fijado. Además, después del final de la conducción de reenvío en cualquier diodo, hay corriente inversa por un corto tiempo. El dispositivo no alcanza su capacidad de bloqueo total hasta que cesa la corriente inversa.
  2. Para una polarización menor que el PIV, la corriente inversa es muy pequeña. Para un diodo rectificador P-N normal, la corriente inversa a través del dispositivo en el rango de microamperios (μA) es muy baja. Sin embargo, esto depende de la temperatura y, a temperaturas suficientemente altas, se puede observar una cantidad sustancial de corriente inversa (mA o más). También hay una pequeña corriente de fuga en la superficie causada por electrones que simplemente giran alrededor del diodo como si fuera un aislante imperfecto.
  3. Con una pequeña polarización directa, donde solo se conduce una pequeña corriente directa, la curva de corriente-voltaje es exponencial de acuerdo con la ecuación de diodo ideal. Hay un voltaje directo definido en el que el diodo comienza a conducir de manera significativa. Esto se denomina voltaje de codo o voltaje de corte y es igual al potencial de barrera de la unión pn. Esta es una característica de la curva exponencial y aparece más nítida en una escala actual más comprimida que en el diagrama que se muestra aquí.
  4. A corrientes directas más grandes, la curva de corriente-voltaje comienza a estar dominada por la resistencia óhmica del semiconductor a granel. La curva ya no es exponencial, es asintótica a una línea recta cuya pendiente es la resistencia a granel. Esta región es particularmente importante para los diodos de potencia. El diodo se puede modelar como un diodo ideal en serie con una resistencia fija.

En un pequeño diodo de silicio que funciona con sus corrientes nominales, la caída de voltaje es de aproximadamente 0,6 a 0,7 voltios . El valor es diferente para otros tipos de diodos: los diodos Schottky pueden tener una clasificación tan baja como 0,2 V, los diodos de germanio de 0,25 a 0,3 V y los diodos emisores de luz (LED) rojos o azules pueden tener valores de 1,4 V y 4,0 V respectivamente. [ cita requerida ]

A corrientes más altas, aumenta la caída de tensión directa del diodo. Una caída de 1 V a 1,5 V es típica a la corriente nominal completa para los diodos de potencia.

Ecuación del diodo de Shockley

La ecuación del diodo ideal de Shockley o la ley del diodo (llamada así por el co-inventor del transistor de unión bipolar William Bradford Shockley ) da la característica IV de un diodo ideal en polarización directa o inversa (o sin polarización). La siguiente ecuación se denomina ecuación de diodo ideal de Shockley cuando n , el factor de idealidad, se establece igual a 1:

donde

I es la corriente del diodo,
I S es la corriente de saturación de polarización inversa (o corriente de escala),
V D es el voltaje a través del diodo,
VT es el voltaje térmico , y
n es el factor de idealidad , también conocido como factor de calidad oa veces coeficiente de emisión . El factor de idealidad n generalmente varía de 1 a 2 (aunque en algunos casos puede ser mayor), según el proceso de fabricación y el material semiconductor, y se establece igual a 1 para el caso de un diodo "ideal" (por lo tanto, la n a veces se omite ). El factor de idealidad se agregó para tener en cuenta las uniones imperfectas que se observan en los transistores reales. El factor explica principalmente la recombinación de portadores cuando los portadores de carga cruzan la región de agotamiento .

El voltaje térmico VT es de aproximadamente 25,85 mV a 300 K, una temperatura cercana a la "temperatura ambiente" comúnmente utilizada en el software de simulación de dispositivos. A cualquier temperatura es una constante conocida definida por:

donde k es la constante de Boltzmann , T es la temperatura absoluta de la unión p-n y q es la magnitud de la carga de un electrón (la carga elemental ).

La corriente de saturación inversa, I S , no es constante para un dispositivo determinado, sino que varía con la temperatura; por lo general más significativamente que V T , por lo que V D generalmente disminuye a medida que aumenta T.

La ecuación del diodo ideal de Shockley o la ley del diodo se obtiene asumiendo que los únicos procesos que dan lugar a la corriente en el diodo son la deriva (debido al campo eléctrico), la difusión y la recombinación térmica–generación (R–G) (esta ecuación se obtiene estableciendo n = 1 arriba). También supone que la corriente R-G en la región de agotamiento es insignificante. Esto significa que la ecuación del diodo ideal de Shockley no tiene en cuenta los procesos involucrados en la descomposición inversa y R-G asistida por fotones. Además, no describe la "nivelación" de la curva I-V con un alto sesgo directo debido a la resistencia interna. La introducción del factor de idealidad, n, explica la recombinación y la generación de portadores.

Bajo voltajes de polarización inversa, la exponencial en la ecuación del diodo es insignificante y la corriente es un valor de corriente inversa constante (negativo) de − I S . La región de ruptura inversa no está modelada por la ecuación del diodo de Shockley.

Incluso para voltajes de polarización directa más bien pequeños , el exponencial es muy grande ya que el voltaje térmico es muy pequeño en comparación. El '1' restado en la ecuación del diodo es despreciable y la corriente directa del diodo se puede aproximar por

El uso de la ecuación del diodo en problemas de circuitos se ilustra en el artículo sobre modelado de diodos .

Comportamiento de pequeña señal

A voltajes directos menores que el voltaje de saturación, la curva característica de voltaje versus corriente de la mayoría de los diodos no es una línea recta. La corriente se puede aproximar porcomo se mencionó en la sección anterior.

En aplicaciones de detectores y mezcladores, la corriente se puede estimar mediante una serie de Taylor. [30] Los términos impares se pueden omitir porque producen componentes de frecuencia que están fuera de la banda de paso del mezclador o detector. Incluso los términos más allá de la segunda derivada generalmente no necesitan incluirse porque son pequeños en comparación con el término de segundo orden. [30] El componente de corriente deseado es aproximadamente proporcional al cuadrado del voltaje de entrada, por lo que la respuesta se denomina ley cuadrática en esta región. [25] : pág. 3 

Efecto de recuperación inversa

Después del final de la conducción de reenvío en el diodo de tipo ap-n, puede fluir una corriente inversa durante un corto tiempo. El dispositivo no alcanza su capacidad de bloqueo hasta que se agota la carga móvil en el cruce.

El efecto puede ser significativo cuando se conmutan grandes corrientes muy rápidamente. [31] Es posible que se requiera una cierta cantidad de "tiempo de recuperación inversa" t r (del orden de decenas de nanosegundos a unos pocos microsegundos) para eliminar la carga de recuperación inversa Q r del diodo. Durante este tiempo de recuperación, el diodo puede conducir en la dirección inversa. Esto podría dar lugar a una gran corriente constante en la dirección inversa durante un breve período de tiempo mientras el diodo está polarizado inversamente. La magnitud de tal corriente inversa está determinada por el circuito operativo (es decir, la resistencia en serie) y se dice que el diodo está en la fase de almacenamiento. [32] En ciertos casos del mundo real, es importante considerar las pérdidas en las que incurre este efecto de diodo no ideal. [33] Sin embargo, cuando la velocidad de respuesta de la corriente no es tan severa (p. ej., la frecuencia de línea), el efecto puede ignorarse con seguridad. Para la mayoría de las aplicaciones, el efecto también es insignificante para los diodos Schottky .

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

Tipos de diodos semiconductores

Los diodos normales (p-n), que funcionan como se describe arriba, generalmente están hechos de silicio dopado o germanio . Antes del desarrollo de los diodos rectificadores de potencia de silicio, se utilizaba óxido cuproso y más tarde selenio . Su baja eficiencia requería que se aplicara un voltaje directo mucho más alto (típicamente de 1.4 a 1.7 V por "celda", con múltiples celdas apiladas para aumentar la clasificación de voltaje inverso pico para la aplicación en rectificadores de alto voltaje) y requería un disipador de calor grande (a menudo una extensión del sustrato de metal del diodo ), mucho más grande de lo que requeriría el diodo de silicio posterior de las mismas clasificaciones de corriente. La gran mayoría de todos los diodos son los diodos p-n que se encuentran en los circuitos integrados CMOS . , [34] que incluyen dos diodos por pin y muchos otros diodos internos.

diodos de avalancha
Estos son diodos que conducen en dirección inversa cuando el voltaje de polarización inversa excede el voltaje de ruptura. Estos son eléctricamente muy similares a los diodos Zener (y a menudo se los llama erróneamente diodos Zener), pero se descomponen por un mecanismo diferente: el efecto de avalancha .. Esto ocurre cuando el campo eléctrico inverso aplicado a través de la unión p-n provoca una onda de ionización, que recuerda a una avalancha, lo que genera una gran corriente. Los diodos de avalancha están diseñados para descomponerse a un voltaje inverso bien definido sin destruirse. La diferencia entre el diodo de avalancha (que tiene una ruptura inversa por encima de los 6,2 V) y el Zener es que la longitud del canal del primero excede el camino libre medio de los electrones, lo que provoca muchas colisiones entre ellos en el camino a través del canal. La única diferencia práctica entre los dos tipos es que tienen coeficientes de temperatura de polaridades opuestas.
Diodos de corriente constante
Estos son en realidad JFET [35] con la puerta en cortocircuito a la fuente y funcionan como un limitador de corriente de dos terminales análogo al diodo Zener limitador de voltaje. Permiten que una corriente a través de ellos aumente hasta cierto valor y luego se estabilice en un valor específico. También llamados CLD , diodos de corriente constante , transistores conectados a diodos o diodos reguladores de corriente .
Rectificadores de cristal o diodos de cristal
Estos son diodos de contacto puntual. [25] La serie 1N21 y otras se utilizan en aplicaciones de mezcladores y detectores en receptores de radar y microondas. [22] [23] [24] El 1N34A es otro ejemplo de un diodo de cristal. [36]
Diodos Gunn
Estos son similares a los diodos de túnel en que están hechos de materiales como GaAs o InP que exhiben una región de resistencia diferencial negativa . Con la polarización adecuada, los dominios dipolares se forman y viajan a través del diodo, lo que permite construir osciladores de microondas de alta frecuencia.
Diodos emisores de luz (LED)
En un diodo formado a partir de un semiconductor de banda prohibida directa , como el arseniuro de galio , los portadores de carga que cruzan la unión emiten fotones cuando se recombinan con el portador mayoritario del otro lado. Dependiendo del material, se pueden producir longitudes de onda (o colores) [37] desde el infrarrojo hasta el ultravioleta cercano . [38] Los primeros LED eran rojos y amarillos, y con el tiempo se han desarrollado diodos de mayor frecuencia. Todos los LED producen luz incoherente de espectro estrecho; Los LED "blancos" son en realidad un LED azul con un centelleador amarillorecubrimiento, o combinaciones de tres LED de un color diferente. Los LED también se pueden usar como fotodiodos de baja eficiencia en aplicaciones de señales. Un LED se puede emparejar con un fotodiodo o fototransistor en el mismo paquete, para formar un optoaislador .
Diodos láser
Cuando una estructura similar a un LED está contenida en una cavidad resonante formada al pulir las caras extremas paralelas, se puede formar un láser . Los diodos láser se utilizan comúnmente en dispositivos de almacenamiento óptico y para comunicaciones ópticas de alta velocidad .
diodos térmicos
Este término se usa tanto para los diodos p-n convencionales que se usan para controlar la temperatura debido a su voltaje directo variable con la temperatura, como para las bombas de calor Peltier para calefacción y refrigeración termoeléctricas . Las bombas de calor Peltier pueden estar hechas de semiconductores, aunque no tienen uniones rectificadoras, utilizan el comportamiento diferente de los portadores de carga en semiconductores de tipo N y P para mover el calor.
Fotodiodos
Todos los semiconductores están sujetos a la generación de portadores de carga óptica. Esto suele ser un efecto no deseado, por lo que la mayoría de los semiconductores están empaquetados en material que bloquea la luz. Los fotodiodos están destinados a detectar la luz ( fotodetector ), por lo que están empaquetados en materiales que permiten el paso de la luz y, por lo general, son PIN (el tipo de diodo más sensible a la luz). [39] Un fotodiodo se puede utilizar en células solares , en fotometría o en comunicaciones ópticas . Se pueden empaquetar múltiples fotodiodos en un solo dispositivo, ya sea como una matriz lineal o como una matriz bidimensional. Estas matrices no deben confundirse con los dispositivos de carga acoplada .
diodos PIN
Un diodo PIN tiene una capa central no dopada, o intrínseca , que forma una estructura tipo p/intrínseca/tipo n. [40] Se utilizan como conmutadores y atenuadores de radiofrecuencia. También se utilizan como detectores de radiación ionizante de gran volumen y como fotodetectores . Los diodos PIN también se utilizan en electrónica de potencia , ya que su capa central puede soportar altos voltajes. Además, la estructura PIN se puede encontrar en muchos dispositivos semiconductores de potencia , como IGBT , MOSFET de potencia y tiristores .
Diodos Schottky
Los diodos Schottky están construidos de metal a contacto semiconductor. Tienen una caída de tensión directa más baja que los diodos de unión p-n. Su caída de voltaje directo a corrientes directas de aproximadamente 1 mA está en el rango de 0,15 V a 0,45 V, lo que los hace útiles en aplicaciones de fijación de voltaje y prevención de saturación de transistores. También se pueden utilizar como rectificadores de bajas pérdidas , aunque su corriente de fuga inversa es en general superior a la de otros diodos. Los diodos Schottky son portadores mayoritariosdispositivos y, por lo tanto, no sufren problemas de almacenamiento de portadores minoritarios que ralentizan muchos otros diodos, por lo que tienen una recuperación inversa más rápida que los diodos de unión p-n. También tienden a tener una capacitancia de unión mucho más baja que los diodos p-n, lo que proporciona altas velocidades de conmutación y su uso en circuitos de alta velocidad y dispositivos de RF, como fuentes de alimentación conmutadas , mezcladores y detectores .
Súper diodos de barrera
Los diodos de superbarrera son diodos rectificadores que incorporan la baja caída de voltaje directo del diodo Schottky con la capacidad de manejo de sobretensiones y la baja corriente de fuga inversa de un diodo de unión p-n normal.
Diodos dopados con oro
Como dopante, el oro (o platino ) actúa como centro de recombinación, lo que ayuda a la rápida recombinación de los portadores minoritarios. Esto permite que el diodo funcione a frecuencias de señal, a expensas de una mayor caída de tensión directa. Los diodos dopados con oro son más rápidos que otros diodos p-n (pero no tan rápidos como los diodos Schottky). También tienen menos fugas de corriente inversa que los diodos Schottky (pero no tan buenos como otros diodos p-n). [41] [42] Un ejemplo típico es el 1N914.
Diodos de recuperación a presión o de paso
El término recuperación escalonada se refiere a la forma de la característica de recuperación inversa de estos dispositivos. Después de que una corriente directa ha estado pasando en un SRD y la corriente se interrumpe o se invierte, la conducción inversa cesará muy abruptamente (como en una forma de onda escalonada). Los SRD pueden, por lo tanto, proporcionar transiciones de voltaje muy rápidas por la desaparición muy repentina de los portadores de carga.
Estabilizadores o diodos de referencia directa
El término estabilizador se refiere a un tipo especial de diodos que presentan características de tensión directa extremadamente estables . Estos dispositivos están especialmente diseñados para aplicaciones de estabilización de bajo voltaje que requieren un voltaje garantizado en un amplio rango de corriente y altamente estables a la temperatura.
Diodo de supresión de voltaje transitorio (TVS)
Estos son diodos de avalancha diseñados específicamente para proteger otros dispositivos semiconductores de transitorios de alto voltaje . [43] Sus uniones p-n tienen un área transversal mucho mayor que las de un diodo normal, lo que les permite conducir grandes corrientes a tierra sin sufrir daños.
Diodos túnel o diodos Esaki
Estos tienen una región de operación que muestra una resistencia negativa causada por el túnel cuántico , [44] que permite la amplificación de señales y circuitos biestables muy simples. Debido a la alta concentración de portadores, los diodos de túnel son muy rápidos, se pueden usar a temperaturas bajas (mK), campos magnéticos altos y en entornos de alta radiación. [45] Debido a estas propiedades, a menudo se utilizan en naves espaciales.
Diodos varicap o varactor
Estos se utilizan como capacitores controlados por voltaje . Estos son importantes en los circuitos PLL ( bucle de bloqueo de fase ) y FLL ( bucle de bloqueo de frecuencia ), lo que permite que los circuitos de sintonización, como los de los receptores de televisión, se acoplen rápidamente a la frecuencia. También permitieron osciladores sintonizables en la sintonización discreta temprana de radios, donde un oscilador de cristal barato y estable, pero de frecuencia fija, proporcionaba la frecuencia de referencia para un oscilador controlado por voltaje .
diodos zener
Estos se pueden hacer para conducir en polarización inversa (hacia atrás) y se denominan correctamente diodos de ruptura inversa. Este efecto llamado ruptura de Zener, ocurre a un voltaje definido con precisión, lo que permite que el diodo se use como una referencia de voltaje de precisión. El término diodos Zener se aplica coloquialmente a varios tipos de diodos de ruptura, pero estrictamente hablando, los diodos Zener tienen un voltaje de ruptura inferior a 5 voltios, mientras que los diodos de avalancha se usan para voltajes de ruptura superiores a ese valor. En los circuitos prácticos de referencia de voltaje, el Zener y los diodos de conmutación se conectan en serie y en direcciones opuestas para equilibrar la respuesta del coeficiente de temperatura de los diodos a casi cero. Algunos dispositivos etiquetados como diodos Zener de alto voltaje son en realidad diodos de avalancha (ver arriba). Dos Zeners (equivalentes) en serie y en orden inverso, en el mismo paquete, constituyen un absorbente transitorio (o Transorb , una marca registrada).

Otros usos de los diodos semiconductores incluyen la detección de temperatura y el cálculo de logaritmos analógicos (consulte Aplicaciones de amplificadores operativos # Salida logarítmica ).

Símbolos gráficos

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

Esquemas de numeración y codificación

Existe una serie de esquemas de codificación y numeración comunes, estándar e impulsados ​​​​por el fabricante para diodos; siendo los dos más comunes el estándar EIA / JEDEC y el estándar europeo Pro Electron :

EIA/JEDEC

El sistema EIA370 de numeración de la serie 1N estandarizado fue introducido en los EE. UU. por EIA/JEDEC (Consejo Conjunto de Ingeniería de Dispositivos Electrónicos) alrededor de 1960. La mayoría de los diodos tienen una designación de 1 prefijo (p. ej., 1N4003). Entre los más populares de esta serie estaban: 1N34A/1N270 (señal de germanio), 1N914/ 1N4148 (señal de silicio), 1N400x (rectificador de potencia de silicio 1A) y 1N580x (rectificador de potencia de silicio 3A). [46] [47] [48]

JI

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

Pro Electron

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

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

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

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

Dispositivos relacionados

En óptica, un dispositivo equivalente al diodo pero con luz láser sería el Aislador Óptico , también conocido como Diodo Óptico, [49] que permite el paso de la luz en una sola dirección. Utiliza un rotador de Faraday como componente principal.

Aplicaciones

Demodulación de radio

Un circuito demodulador de envolvente simple .

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

En la tecnología de microondas y ondas milimétricas, a partir de la década de 1930, los investigadores mejoraron y miniaturizaron el detector de cristal. Los diodos de punto de contacto ( diodos de cristal ) y los diodos Schottky se utilizan en detectores de radar, microondas y ondas milimétricas. [28]

Conversión de energía

Esquema de la fuente de alimentación básica de CA a CC

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

Protección de voltaje inverso

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

Protección contra sobretensiones

Los diodos se utilizan con frecuencia para conducir altos voltajes dañinos lejos de dispositivos electrónicos sensibles. Por lo general, tienen polarización inversa (no conducen) en circunstancias normales. Cuando el voltaje sube por encima del rango normal, los diodos se polarizan directamente (conductores). Por ejemplo, los diodos se utilizan en ( motor paso a paso y puente H ) controlador de motor y circuitos de relé para desenergizar bobinas rápidamente sin los picos de voltaje dañinos que de otro modo ocurrirían. (Un diodo utilizado en tal aplicación se llama diodo flyback ). Muchos circuitos integrados también incorporan diodos en las clavijas de conexión para evitar que los voltajes externos dañen sus componentes sensibles.transistores _ Los diodos especializados se utilizan para proteger contra sobretensiones a mayor potencia (consulte los tipos de diodos anteriores).

Puertas lógicas

Los diodos se pueden combinar con otros componentes para construir puertas lógicas AND y OR . Esto se conoce como lógica de diodo .

Detectores de radiación ionizante

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

Los detectores de semiconductores para partículas de alta energía se utilizan en gran número. Debido a las fluctuaciones de pérdida de energía, la medición precisa de la energía depositada es menos útil.

Medidas de temperatura

Se puede utilizar un diodo como dispositivo de medición de temperatura , ya que la caída de tensión directa en el diodo depende de la temperatura, como en un sensor de temperatura de banda prohibida de silicio . De la ecuación del diodo ideal de Shockley dada anteriormente, podría parecer que el voltaje tiene un coeficiente de temperatura positivo (a una corriente constante), pero generalmente la variación del término de corriente de saturación inversa es más significativa que la variación del término de voltaje térmico. Por lo tanto, la mayoría de los diodos tienen un coeficiente de temperatura negativo , típicamente −2 mV/°C para los diodos de silicio. El coeficiente de temperatura es aproximadamente constante para temperaturas superiores a unos 20 kelvin .. Se proporcionan algunos gráficos para la serie 1N400x, [50] y el sensor de temperatura criogénica CY7. [51]

Dirección actual

Los diodos evitarán corrientes en direcciones no deseadas. Para suministrar energía a un circuito eléctrico durante un corte de energía, el circuito puede extraer corriente de una batería . Una fuente de alimentación ininterrumpida puede usar diodos de esta manera para garantizar que la corriente solo se extraiga de la batería cuando sea necesario. Asimismo, las embarcaciones pequeñas suelen tener dos circuitos, cada uno con su propia batería/baterías: uno que se utiliza para arrancar el motor; uno usado para domésticos. Normalmente, ambos se cargan desde un solo alternador y se usa un diodo de carga dividida de servicio pesado para evitar que la batería de carga más alta (típicamente la batería del motor) se descargue a través de la batería de carga más baja cuando el alternador no está funcionando.

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

Recortador de forma de onda

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

Abrazadera

Esta abrazadera de diodo simple sujetará los picos negativos de la forma de onda entrante al voltaje del riel común

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

Abreviaturas

Los diodos generalmente se denominan D para diodo en PCB . A veces se usa la abreviatura CR para rectificador de cristal . [52]

Véase también

Referencias

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Lectura adicional

Periódicos
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  • Manual de rectificadores de silicio ; 1ª edición; Bob Dale; motorola; 213 páginas; 1966. (archivo)
  • Rectificación Electrónica ; FG Spreadbury; D. Van Nostrand Co.; 1962.
  • manual de diodos zener ; Rectificador Internacional; 96 páginas; 1960.
  • Manual del rectificador de selenio FT ; 2ª edición; Teléfono y Radio Federal; 80 páginas; 1953. (archivo)
  • Manual del rectificador de selenio ST ; 1ª edición; Sarkes Tarzian; 80 páginas; 1950. (archivo)
Libros de circuito
  • 50 circuitos LED simples ; 1ª edición; RN volar; Prensa Babaní; 62 páginas; 1977; ISBN 978-0859340434 . (archivo) 
  • 38 Circuitos de diodos probados en la práctica para el constructor de viviendas ; 1ª edición; Bernardo Babani; Imprenta Krisson; 48 páginas; 1972. (archivo)
  • Manual de circuitos de diodos ; 1ª edición; Rufus Turner; Howard Sams y compañía; 128 páginas; 1963; LCCN 63-13904. (archivo)
  • 40 usos de los diodos de germanio ; 2ª edición; productos eléctricos de Sylvania; 47 páginas; 1949. (archivo)
Libros de datos

Enlaces externos

Interactivos y animaciones