Apuntes de electrónica

ruptura de los semiconductores

Los diodos admiten unos valores máximos en las tensiones que se les aplican, existe un límite para la tensión máxima en inversa con que se puede polarizar un diodo sin correr el riesgo de destruirlo.

Veamos un ejemplo:

A la tensión en la que la I_R aumenta de repente, se le llama "Tensión de Ruptura" (V_Ruptura). A partir de este valor I_R es muy grande y el diodo se estropea. En el diodo ha ocurrido el "Efecto Avalancha" o "Ruptura por Avalancha".

Efecto Avalancha = Ruptura por Avalancha  = Multiplicación por Avalancha

Efecto Avalancha
Aumenta la tensión inversa y con ella la z.c.e..

Ocurre lo siguiente dentro del diodo:

Justo en el límite antes de llegar a Ruptura, la pila va acelerando a los electrones. Y estos electrones pueden chocar con la red cristalina, con los enlaces covalentes. Choca el electrón y rebota, pero a V_Ruptura la velocidad es muy grande y por ello la E_C es tan grande que al chocar cede energía al electrón ligado y lo convierte en libre. El electrón incidente sale con menos velocidad que antes del choque. O sea, de un electrón libre obtenemos dos electrones libres.

Estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden chocar contra otro electrón de un enlace covalente, ceden su energía... y se repite el proceso y se crea una Multiplicación por Avalancha.

Y ahora I_R ha aumentado muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy grande (-100 mA). Con esta intensidad el diodo se estropea porque no está preparado para trabajar a esa I_R.

Efecto Zener

Este es otro efecto que puede estropear el diodo, y es muy parecido al anterior. Se suele dar en diodos muy impurificados, diodos con muchas impurezas.

Al tener la z.c.e. muy pequeña y seguimos teniendo la misma tensión (0.7 V), tenemos muy juntos los átomos de impurezas teniendo así más carga en menos espacio.

En esta situación se crea un campo eléctrico muy intenso. Y el efecto es como la carga de un condensador.

Si se polariza en inversa se ensancha la z.c.e.
¿Qué ocurre en la z.c.e.?

A aumentado mucho E (Campo Eléctrico), por ejemplo para los 3 V llega a 300.000 V/cm y se da el "Efecto Zener": Ahora la F, fuerza debida al campo eléctrico, es capaz de arrancar el electrón y lo hace libre. Este campo eléctrico intenso arranca muchos electrones de esta forma dando lugar a una corriente grande que destruye el Diodo.

Veamos en que diodos se dan estos  2 efectos:

• Efecto Avalancha (Ruptura por avalancha)
  • Diodo Rectificador     V_R = - 50 V (tensiones grandes).
  • Diodo de Avalancha   V_R = - 6 V, - 7 V, - 8 V... A veces le llama Diodo Zener aunque no sea un Zener en si.
• Efecto Zener (Ruptura Zener)
  • Diodo Zener    V_R = - 4 V, - 3 V, - 2 V... A veces puede ocurrir este efecto en otro tipo de diodos que no sean Zener, pero tienen que estar muy impurificados. Los Diodos Zener están especialmente preparados para no estropearse.

Entre - 4 V y - 6 V se pueden dar los 2 fenómenos a la vez (Avalancha y Zener).

http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/TEMA2.htm

Fenómenos de ruptura

Hasta ahora hemos visto que los diodos en inversa sólo conducen con una corriente muy pequeña (-I_S), denominada corriente inversa de saturación, que es independiente de la tensión aplicada. Sin embargo, realmente no se puede aplicar cualquier voltaje en inversa manteniéndose esta situación, sino que a partir de cierto valor crítico o tensión de ruptura, la corriente inversa del diodo se incrementa abruptamente, obteniéndose un rango muy elevado de corriente con una pequeña variación de la tensión (de forma análoga a como sucede en la región de conducción directa). La Figura 2.8.1 muestra las dos regiones de conducción de una unión PN.

Figura 2.7.1 Característica I-V completa de una unión PN.

                A pesar del nombre de ruptura, este comportamiento no es destructivo en sí mismo si se limita la corriente (con una resistencia externa, por ejemplo), al igual que sucede en la región directa de conducción.

                Los diodos especialmente diseñados para conducir en inversa se suelen emplear para regular el voltaje en un punto (por ejemplo, en fuentes de tensión) y se representan con un símbolo ligeramente diferente al de un diodo (Figura 2.7.2).

Figura 2.7.2 Símbolo de un diodo Zener

                La ruptura o conducción en inversa puede deberse a dos fenómenos independientes: la ruptura por avalancha y la ruptura Zéner o túnel.

                La ruptura por avalancha se ilustra en la Figura 2.7.3. Ya hemos visto que en inversa la corriente se debe a los electrones y huecos minoritarios que son arrastrados por el campo eléctrico de la zona de carga espacial. Sigamos el camino de un electrón. La energía cinética de un electrón se incrementa conforme avanza a causa de la aceleración provocada por este campo eléctrico. Puede ser que mientras se mueve, el electrón choque con los átomos de la red cristalina. Si ha adquirido suficiente energía cinética podría incluso romper un enlace entre átomos de silicio, generando un par electrón-hueco. Los dos electrones (el inicial y el generado en el choque) y el hueco son acelerados de nuevo por el campo eléctrico, incrementando la corriente inversa. Además, los dos electrones pueden adquirir de nuevo la suficiente energía como para generar cada uno otro par electrón-hueco y así sucesivamente en un proceso en cadena que puede llegar a incrementar notablemente la corriente inversa.

Figura 2.7.3  Ruptura por avalancha en una unión PN.

                La corriente por avalancha tiene un coeficiente de temperatura negativo. Es decir, la corriente disminuye al aumentar la temperatura. Esto se debe a que cuanto mayor sea la temperatura, mayor es la agitación térmica de los átomos y, por tanto, mayor es la probabilidad de choque de éstos con los electrones. Esto hace que los electrones tengan menos opciones de adquirir la energía suficiente para ser capaces de romper los enlaces y generar nuevos pares electrón-hueco.

                El otro proceso de ruptura, la rotura Zéner o túnel, se ilustra en la Figura 2.7.4. La rotura túnel tiene lugar si la distancia entre las bandas de conducción y valencia es pequeña en la zona de carga espacial. Esto sucede cuando el dopado de los semiconductores es alto, ya que esto favorece que la anchura de la zona de carga espacial sea pequeña y la curvatura de las bandas tenga lugar en poco espacio.

                Mediante el proceso túnel un electrón puede pasar de la banda de valencia a la de conducción (Figura 2.7.4). Este proceso es un mecanismo de origen cuántico y no tiene explicación dentro del contexto de la física clásica. Debido a que los electrones también tienen un carácter ondulatorio pueden atravesar, con cierta probabilidad, barreras de potencial si éstas son lo suficientemente bajas o estrechas, como es el caso.

                Al contrario que la ruptura por avalancha, la ruptura Zener tiene un coeficiente de temperatura positivo, puesto que se facilita la ruptura de un enlace al aumentar la temperatura.

Figura 2.7.4 Ruptura mediante proceso túnel

                El que tenga lugar en primer lugar la ruptura por avalancha o por efecto túnel está básicamente controlado por el dopado de los semiconductores. Se puede conseguir que la tensión de ruptura sea casi independiente de la temperatura si se diseña la unión de forma que la ruptura tenga lugar por ambos mecanismos a la vez.

                Como el lector habrá observado, a los diodos que trabajan en la región inversa se les denomina diodos Zéner independientemente del fenómeno en concreto que tenga lugar (podría ser únicamente la ruptura por avalancha, como de hecho suele preferirse por presentar una característica más abrupta).

http://electronica.ugr.es/~amroldan/deyte/cap02.htm

Diodo

Un diodo es un dispositivo electrónico compuesto por dos regiones de material semiconductor que forman una unión PN

Polarización de un diodo

En una unión PN diremos que está en polarización directa cuando el potencial en el lado P es más positivo que en el lado N; y diremos que está en polarización inversa, si es al contrario. Si se define V_PNcomo el potencial del lado P menos el del lado N, si V_PN > 0, el diodo está en polarización directa.

Toda unión PN deja pasar la corriente sólo si está en polarización directa y la tensión supera un valor umbral que llamaremos Vg.
Para los diodos de silico y germanio, aproximádamente es Vg = 0.7 voltios y Vg = 0.2 voltios, respectívamente.

Curva Característica

La representación de la intensidad que circula por el diodo en función de la tensión entre los extremos de la unión PN define la curva característica del diodo.

En la figura se representa la curva caractirítica típica de un diodo. Al polarizar el diodo en directa se observa que a partir de un valor de tensión Vg el diodo conduce y permite el paso de corriente con intensidades del orden de miliAmperios (1- 20 mA) , mientras que si esta polarizado en inversa la intensidad que circula por el mismo es muy pequeña del orden de microAmperios y podemos decir que el diodo no conduce..

Definición de tensión umbral

La tensión umbral es el valor de tensión en polarización directa a partir del cual un diodo conduce.  Este valor se  puede obtener  a partir de la característica I-V determinando el valor de la tensión que corresponde a una intensidad de aproximadamente un miliamperio.

A partir de una tensión superior a la tensión umbral la intensidad que circula por el diodo aumenta mucho con una ligera variación en el valor de la tensión de polarización y podemos decir que el diodo muestra una resistencia muy pequeña, ya que deja pasar toda la corriente con una ligera variación en la tensión V_PN.

El diodo zéner

En realidad, si sometemos un diodo a una tensión en inversa muy grande, por el mismo circula una corriente del mismo orden de magnitud que en directa. En un diodo normal, eso supone la ruptura del dispositivo produciendose una degradación de sus características eléctricas. Se define como tension de ruptura a la tensión que provoca la conduccion de un diodo polarizado en inversa. Alcanzar esta tensión supone destruir el diodo y en las aplicaciones debe evitarse esta tensión de polarización.
Una excepción son los diodos Zenner. Éstos dejan pasar corriente, sin degradarse, en polarización inversa a partir de una determinada tensión, llamándose a la tensión ruptura V_R tensión de Zenner, V_Z. Un diodo de este tipo trabaja por tanto en la zona de ruptura. El proceso de fabricación de éstos varía del empleado para los diodos comunes dada la necesidad de funcionamiento en la zona de ruptura.
Cuando a un zéner se le aplica una tensión menor a V_Z éste se comporta como un diodo normal.
Este diodo es muy utilizado para implementar sistemas electrónicos de regulación de C.C.

El diodo emisor de Luz (LED):

Otro tipo de diodo, quizá el de mayor difusión, es el diodo emisor de luz, conocido comúnmente como LED (Light Emmitting Diode) 
El funcionamiento de este tipo de diodo se basa en la polarización en sentido directo de una unión P-N. Al hacer esto se origina una 
recombinación de electrones y huecos, lo que origina gran cantidad de energía, que en el caso de algunos semiconductores se traduce en 
una radiación luminosa. Sus colores típicos son: rojo, verde y ámbar los que hacen al LED idóneo para ser utilizado en muchos tipos de indicadores.

Montaje de polarización

El esquema del montaje eléctrico para polarizar un diodo es el que se muestra en la figura.

El funcionamiento básico es el siguiente:

• Si la tensión proporcionada por la  fuente es positiva (tomando como referencia el símbolo en el esquema) y supera la tensión umbral de diodo, entonces el diodo conduce y circula intensidad por el circuito.
• Si la tensión proporcionada por la  fuente es negativa, entonces el diodo no conduce y por tanto no circula intensidad por el circuito.
• La resistencia tiene como misión limitar la máxima corriente que pueda circular por el circuito, evitando que se supere la máxima intensidad que el diodo es capaz de soportar.
• En otros casos en el esquema de montaje eléctrico se sustituye la fuente de tensión  por una fuente de corriente. El valor máximo programado en la fuente de corriente limita la intensidad que circula por el diodo, no siendo necesaria la  resistencia en el circuito.

http://arantxa.ii.uam.es/~labweb/electronica/tutorialdiodo.html