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Un diodo cuando funciona en su condición de polarización directa tiene su región de agotamiento reducida a casi nada. Es decir, el voltaje de suministro externo aplicado será utilizado por el dispositivo para superar el potencial de barrera que se le impone debido a la presencia de portadores de carga inmóviles en su región de agotamiento. Ahora, imagine que una polarización inversa de este voltaje invierte las polaridades conectadas a los terminales del diodo. Idealmente, el acto de hacerlo debería llevar al diodo de su estado ON al estado OFF inmediatamente. Es decir, el diodo que conduce corriente se espera que en su dirección hacia adelante deje de conducir instantáneamente. Sin embargo, prácticamente, esto no se puede experimentar ya que el flujo de portadores de carga mayoritarios a través del diodo no cesa justo en el momento de revertir el sesgo. De hecho, tomarán una cantidad de tiempo finita antes de detenerse y este tiempo se conoce como tiempo de recuperación inversa del diodo. Durante este tiempo de recuperación inversa del diodo, se puede ver que habrá una cantidad bastante grande de corriente que fluye a través del diodo, pero en la dirección opuesta (I rr en la Figura 1). Sin embargo, su magnitud se reduce y se satura a un valor de corriente de saturación inversa, una vez que la línea de tiempo cruza el tiempo de recuperación inversa (t rr ) del diodo. Gráficamente se puede describir el tiempo de recuperación inversa del diodo como el tiempo total que comienza desde el instante en que la corriente inversa comienza a fluir a través del diodo hasta el instante de tiempo en el que llega a cero (o cualquier otro nivel bajo predefinido , digamos el 25% de I rr en la figura) mientras se descompone (t d), al alcanzar sus máximos negativos (t p ).



La relación de estos dos factores de tiempo (a saber, t p y t d ) se conoce como factor de suavidad. En el caso de un diodo normal, el tiempo que tarda la corriente en decaer (t d ) será menor en comparación con el tiempo que tarda la corriente en alcanzar su pico negativo (t p ). Por otro lado, para un diodo de recuperación suave, la situación será la inversa. Es decir, aquí, t d será mayor en comparación con t p . Podemos ver que el factor de suavidad da una medida de semiconductor pérdidas incurridas durante el cambio. Mayor es esta relación; mayor será la pérdida de conmutación. A partir de esto, se puede concluir que cuando usamos diodos de recuperación suave, las pérdidas experimentadas por la conmutación de semiconductores son mayores que las encontradas cuando usamos diodos normales. Este fenómeno de recuperación inversa es básicamente un efecto parasitario experimentado en el caso de los diodos y se considera que depende del nivel de dopaje del silicio y su geometría. Además, incluso la temperatura de la unión, la velocidad a la que cae la corriente directa y el valor de la corriente directa justo antes de que se aplique la polarización inversa también afectan su valor. Mayor es el tiempo de recuperación inverso; más lento será el diodo y viceversa. Por lo tanto, se prefieren los diodos con menor tiempo de recuperación inversa, especialmente cuando el requisito es de alta velocidad de conmutación. Además, durante este intervalo de tiempo, habrá una cantidad significativa de flujo de corriente hacia el suministro que proporciona energía al diodo. Por lo tanto, la tiempo de recuperación inversa del diodo. Es un factor de diseño importante que debemos considerar al diseñar las fuentes de alimentación.

▷ Tiempo de recuperación inversa del diodo

El diodo Gunn es un dispositivo semiconductor pasivo con dos terminales, que se compone solo de un material semiconductor n-dopado, a diferencia de otros diodos que consisten en una unión pn. Los diodos Gunn pueden estar hechos de los materiales que consisten en múltiples valles de energía, inicialmente vacíos, muy separados en su banda de conducción, como arseniuro de galio (GaAs), fosfuro de indio (InP), nitruro de galio (GaN), telururo de cadmio (CdTe) , Sulfuro de cadmio (CdS), arseniuro de indio (InAs), antimonuro de indio (InSb) y selenuro de zinc (ZnSe). El procedimiento de fabricación general implica el crecimiento de una capa epitaxial en un sustrato n + degenerado para formar tres semiconductores de tipo n capas (Figura 1a), donde las capas extremas están muy dopadas en comparación con la capa media activa.
Además, los contactos metálicos se proporcionan en cualquiera de los extremos del diodo Gunn para facilitar la polarización. El símbolo del circuito para el diodo Gunn es como se muestra en la Figura 1b y difiere de ese diodo normal para indicar la ausencia de unión pn.


Al aplicar un voltaje de CC a través de los terminales del diodo Gunn, se desarrolla un campo eléctrico a través de sus capas, la mayoría de las cuales aparece en la región activa central. En las etapas iniciales, la conducción aumenta debido al movimiento de electrones desde la banda de valencia hacia el valle inferior de la banda de conducción.



La gráfica VI asociada se muestra mediante la curva en la Región 1 (coloreada en rosa) de la Figura 2. Sin embargo, después de alcanzar un cierto valor umbral (V th ), la corriente de conducción a través del diodo Gunn disminuye como lo muestra la curva en el Región 2 (coloreada en azul) de la figura. Esto se debe a que, a voltajes más altos, los electrones en el valle inferior de la banda de conducción se mueven hacia su valle superior, donde su movilidad disminuye debido a un aumento en su masa efectiva. La reducción en la movilidad disminuye la conductividad, lo que conduce a una disminución en la corriente que fluye a través del diodo. Como resultado, se dice que el diodo exhibe resistencia negativaregión (región que abarca desde el punto pico hasta el punto valle) en la curva característica VI. Este efecto se denomina efecto de electrones transferidos y, por lo tanto, los diodos Gunn también se denominan dispositivos de electrones transferidos.


Además, debe tenerse en cuenta que el efecto de electrones transferidos también se llama efecto Gunn y lleva el nombre de John Battiscombe Gunn (JB Gunn) después de su descubrimiento en 1963 que mostró que uno podía generar microondas aplicando un voltaje constante a través de un chip de n- tipo Gaicon semiconductor. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el material utilizado para fabricar diodos Gunn debe ser necesariamente de tipo n, ya que el efecto del electrón transferido es válido solo para electrones y no para agujeros. Además, como el GaAs es un mal conductor, los diodos Gunn generan calor excesivo y, por lo tanto, generalmente están provistos de un disipador de calor. Además, a frecuencias de microondas, un pulso de corriente viaja a través de la región activa que se inicia a un voltaje particularvalor. Este movimiento del pulso actual a través de la región activa reduce el gradiente potencial a través de él, lo que a su vez evita la formación de pulsos de corriente adicionales. El siguiente pulso actual puede generarse solo cuando el pulso generado previamente alcanza el extremo lejano de la región activa, aumentando nuevamente el gradiente potencial. Esto indica que el tiempo que tarda el pulso actual en atravesar la región activa decide la velocidad a la que se generan los pulsos actuales y, por lo tanto, fija la frecuencia operativa del diodo Gunn. Por lo tanto, para variar la frecuencia de oscilación, uno tiene que variar el grosor de la región activa central. Además, debe tenerse en cuenta que la naturaleza de la resistencia negativa exhibida por el diodo Gunn le permite funcionar como amplificador y oscilador. La ventaja de los diodos Gunn radica en el hecho de que son la fuente más barata de microondas, de tamaño compacto, operan sobre un gran ancho de banda y poseen estabilidad de alta frecuencia. Sin embargo, su voltaje de encendido es alto, son menos eficientes por debajo de 10 GHz y exhiben una baja estabilidad de temperatura. Sin embargo, los diodos Gunn son ampliamente utilizados
1.   En osciladores electrónicos para generar frecuencias de microondas.
2.   En amplificadores paramétricos como fuentes de bombeo.
3.   En radares policiales.
4.   Como sensores en sistemas de apertura de puertas, sistemas de detección de intrusos, sistemas de seguridad para peatones, etc.
5.   Como fuente de frecuencias de microondas en abridores automáticos de puertas, controladores de señales de tráfico, etc.
6.   En circuitos receptores de microondas.
7.   En comunicaciones por radio.
8.   En sistemas militares.
9.   Como detectores remotos de vibraciones.
     En tacómetros. En generador de diodos de Gunn pulsado.
En microelectrónica como equipos de control.
En pistolas de velocidad de radar.
Como transmisores de enlace de datos de relé de microondas.
En los radares Doppler de onda continua.

▷ Diodo GUNN

Historia del diodo de vacío

El 16 de noviembre de 1904, Sir John Ambrose Fleming inventó el primer diodo de vacío y también se llama válvula de Fleming, la primera válvula termoiónica. En aquellos días no existía la unión pn en el campo de la electrónica. A continuación, se muestra una figura conceptual del diodo de vacío.


¿Cómo funciona el diodo de tubo de vacío?

Aquí el diodo de vacío funciona principalmente como un diodo moderno. Pero su tamaño es más grande. Consiste en un recipiente de vacío con cátodo y ánodo dentro. Este cátodo y ánodo están conectados a través de una fuente de voltaje.
El ánodo se aplica con voltaje positivo con respecto al cátodo. Funciona según el principio de emisión termoiónica. Un filamento calienta este cátodo. Por lo tanto, los electrones se emiten desde el cátodo y son atraídos hacia el ánodo. Si el voltaje positivo aplicado en el ánodo no es suficiente, el ánodo no puede atraer los electrones emitidos por el cátodo debido al filamento caliente. 
Como resultado, una nube de electrones se acumula en el espacio entre el cátodo y el ánodo. Esto se llama carga espacial. Debido a esta carga espacial, los electrones emitidos adicionales se derogan y vuelven al cátodo. Por lo tanto, prácticamente se detiene la emisión de electrones. No circula corriente por el circuito.
Si el voltaje aplicado entre el ánodo y el cátodo se incrementa gradualmente, entonces más y más electrones de carga espacial llegan al ánodo y crean espacio vacante para electrones emitidos adicionales. Entonces, con el aumento de voltaje a través del ánodo y el cátodo, podemos aumentar la tasa de emisión de electrones.
Al mismo tiempo, la carga espacial se desvanece gradualmente, lo que significa que se neutraliza en el ánodo. Una vez para cierto voltaje aplicado entre el ánodo y el cátodo, toda la carga espacial se desvanece. No hay más obstrucción para la emisión de electrones desde el cátodo. Luego, un haz de electrones comienza a fluir libremente del cátodo al ánodo a través del espacio. Como resultado, la corriente fluye del ánodo al cátodo.



 Por otro lado, si el ánodo se vuelve negativo con respecto al cátodo, no hay emisión de electrones ya que está frío y no está caliente. Ahora los electrones emitidos por el cátodo calentado no llegan al ánodo. Debido a la repulsión del ánodo negativo, se acumulará una fuerte carga espacial entre el ánodo y el cátodo. Nuevamente, debido a la repulsión de esta carga espacial, todos los electrones emitidos nuevamente regresan al cátodo, por lo tanto, no se produce una emisión virtual y, por lo tanto, no fluye corriente en el circuito. Entonces, el diodo de vacío permite que la corriente fluya solo en una dirección.
Bajo polarización inversa, este diodo de vacío no funciona. Este tubo de vacío fue el componente básico de la electrónica durante la primera mitad del siglo XX. Estaba disponible y era común en el circuito de radio, televisión, radar, refuerzo de sonido, sistema de grabación de sonido, teléfono, computadoras analógicas y digitales, y control de procesos industriales.


VI Características del diodo de vacío

Las características VI de un diodo de vacío se muestran a continuación.


El tamaño de la carga espacial depende de la emisión de electrones del cátodo durante la formación de la carga espacial. La emisión de electrones depende además de la temperatura a la que se calienta el cátodo. Por lo tanto, si la temperatura aumenta, la cantidad de carga espacial también aumenta. Por lo tanto, el voltaje del ánodo requerido para neutralizar la carga espacial también será mayor. Por lo tanto, el mismo diodo de vacío tendrá diferentes gráficos de características VI a diferentes temperaturas del cátodo. En la figura anterior hemos mostrado solo tres de ellos. Un gráfico para T o C, uno para temperatura superior a T o C y otro para temperatura inferior a T oC. Cuando el voltaje del ánodo aumenta gradualmente desde cero, la corriente del ánodo al cátodo aumenta proporcionalmente. Como la carga espacial limita la emisión del cátodo, la corriente aumenta proporcionalmente con la disminución de la resistencia de la carga espacial. Esta zona de las características se llama región de limitación de carga espacial como se muestra en la figura. Después de que la carga espacial se desvanece, la emisión de electrones se vuelve constante y depende únicamente de la temperatura del cátodo. Aquí la corriente en el diodo de vacío se satura. Cuando no se aplica voltaje al ánodo, no debe haber corriente en el circuito, pero el caso real no es así. Debido a la fluctuación estadística en la velocidad, algunos electrones son lo suficientemente energéticos como para alcanzar el ánodo, incluso si no hay voltaje en el ánodo.

Uso de diodos de tubo de vacío

Poco a poco, el semiconductor de unión pn entró en el mercado y los tubos de vacío fueron reemplazados por ellos. La estructura más básica del tubo de vacío es el diodo de vacío. Todavía hoy en algún lugar los tubos de vacío se están utilizando ampliamente. Estos campos para la aplicación de los tubos de vacío están en
  • Relojes atómicos
  • Sistemas de audio
  • Tableros de instrumentos del coche
  • Satélites de telefonía celular
  • Monitores de computadora
  • Reproductores y grabadoras de DVD
  • Pruebas electromagnéticas
  • Microscopios Electronicos
  • Sistemas de descarga de gas
  • Láseres de gas
  • Amplificadores de guitarra
  • Radioaficionado
  • Conmutación de circuitos de alta velocidad
  • Calefacción industrial
  • Microscopios iónicos
  • Sistemas de propulsión iónica
  • Láseres
  • Pantallas LCD para computadora
  • Iluminación
  • Sistemas de microondas
  • Hornos de microondas
  • Sistemas militares
  • Componentes para teléfonos móviles, Bluetooth y microondas con Wi-Fi
  • Amplificadores de instrumentos musicales
  • Aceleradores de Partículas
  • Tubos multiplicadores de fotos
  • Pantallas de panel de plasma
  • Sistemas de propulsión de plasma
  • Equipo de audio profesional
  • Sistemas de radar
  • Comunicaciones por radio
  • Estaciones de radio
  • Estudios de grabación
  • Colectores solares
  • Sistemas de sonda
  • Luces estroboscópicas
  • Estaciones terrestres satelitales
  • Sistemas electrónicos de vacío semiconductores
  • Estaciones de TV
  • Dispositivos electrónicos de vacío
  • Pantallas de panel de vacío

Tipos de diodos de vacío

Los tubos de diodo de vacío se clasifican como
1.   Rango de frecuencia inteligente (audio, radio, microondas)
2.   Clasificación de potencia inteligente (señal pequeña, potencia de audio)
3.   Tipo de cátodo / filamento inteligente (calentado indirectamente, calentado directamente)
4.   Aplicación inteligente (recepción de tubos, transmisión de tubos, amplificación o conmutación)
5.   Parámetros especializados sabios (larga vida, muy baja sensibilidad microfónica y amplificación de audio de bajo ruido)
6.   Funciones especializadas (detectores de luz o radiación, tubos de video)

▷ Principio de funcionamiento de la historia del diodo de vacío y tipos de diodos de vacío


¿Qué es el fotodiodo?

El fotodiodo es un tipo de diodo semiconductor de unión pn que funciona con la intensidad de la luz que cae sobre él en la condición de polarización inversa.

Principio de funcionamiento del fotodiodo

Cuando un diodo está en condición de polarización inversa, habría una corriente de saturación inversa que fluye a través de él desde el terminal positivo al negativo del diodo. Los portadores de carga minoritarios inevitables causan esta corriente de saturación inversa en el cristal semiconductor. El valor de esta corriente de saturación inversa no depende del voltaje inverso aplicado a través del diodo, sino que depende de la concentración de portadores de carga minoritarios en el cristal semiconductor. Por lo tanto, para un cierto rango de voltaje inverso a través del diodo, esta corriente permanece casi constante. Podemos controlar la corriente de saturación inversa en un diodo controlando la concentración de portadores de carga minoritarios en el cristal semiconductor. Podemos cambiar la concentración de portadores de carga minoritarios en un  semiconductor suministrando energía externa al cristal. En el fotodiodo, hacemos lo mismo para controlar la conductividad del dispositivo. Como su nombre indica en el fotodiodo, la unión pn queda expuesta a la luz. Dependiendo de la intensidad de la luz, los enlaces covalentes en el cristal se rompen y generan pares libres de electrones a través y cerca de la unión pn. Como resultado, la corriente inversa en el diodo aumenta o, en otras palabras, aumenta la conductividad del dispositivo.


NB: - Aquí se debe tener en cuenta que en un fotodiodo, solo la porción de unión pn del diodo debe exponerse a la luz, esto se debe a que si la luz se aleja de la unión, los pares de electrones creados a partir de la unión se vuelven tiempo suficiente para recombinar, por lo tanto, no pueden contribuir con corriente inversa. Pero los pares de electrones creados en la unión o muy cerca de la unión, pueden propagarse fácilmente hacia la polaridad opuesta debido a la influencia del campo eléctrico a través de la unión y, por lo tanto, la corriente a través del fotodiodo aumenta.

Construcción de fotodiodos

Los fotodiodos están disponibles en un paquete metálico. El diodo es una unión apn, montado en un sustrato de plástico aislado. Luego sellamos el sustrato de plástico en la caja de metal. En la parte superior de la caja de metal, hay una ventana transparente, que permite que la luz se complete hasta la unión PN. Dos cables, el ánodo y el cátodo del diodo salen de la parte inferior de la carcasa de metal. Una lengüeta que se extiende desde el lado de la parte inferior de la carcasa metálica identifica el cable del cátodo.

Símbolo del fotodiodo

El símbolo de un fotodiodo es como el diodo ordinario, excepto por dos flechas inclinadas hacia abajo para simbolizar la luz.

Característica del fotodiodo

1.  Resistencia oscura del fotodiodo

Es cierto que siempre hay algunos portadores de carga minoritarios en el cristal semiconductor incluso en condiciones de oscuridad extrema; estos portadores de carga minoritarios en el cristal semiconductor están presentes debido a las impurezas inevitables y la excitación térmica natural del cristal. Entonces, incluso en condiciones oscuras, habría una pequeña y constante corriente de saturación inversa en el diodo. Esta corriente se fija para un fotodiodo, y la corriente se conoce como corriente oscura. La relación entre el voltaje inverso máximo soportable y la corriente oscura de un fotodiodo se llama resistencia oscura de ese diodo.
2. Cuando aplicamos luz al diodo, la corriente inversa aumenta. Esta relación es lineal. El valor de la corriente inversa es directamente proporcional a la intensidad de la energía luminosa incidente.
Si seguimos aumentando la intensidad de la luz, después de un cierto valor de corriente inversa. La corriente no aumentará más con el aumento de la intensidad de la luz. Llamamos a este valor máximo de corriente inversa como corriente de saturación del fotodiodo.



Aplicaciones del fotodiodo

Hay muchas aplicaciones del fotodiodo. No tenemos el alcance de discutir todas
las aplicaciones del fotodiodo en este breve artículo. Discutiremos aquí solo dos aplicaciones populares del fotodiodo.
  

Circuito de alarma con fotodiodo

Por lo tanto, configuramos una fuente de luz de tal manera que la luz siempre cae sobre un fotodiodo. Mientras  a luz incida en la función del fotodiodo, habrá una corriente inversa a través del diodo, ya que el diodo ya está conectado en condiciones de polarización inversa en el circuito de alarma. Si se produce una obstrucción en la fuente de luz, la corriente inversa en el fotodiodo desciende al nivel de corriente oscura. El circuito está diseñado de este modo cuando baja la corriente inversa, y suena una campana de alarma. Podemos colocar este arreglo en la puerta para que la entrada de personas sea defectuosa. En esta disposición, el haz de luz cruza la puerta de un lado a otro. Encajamos el fotodiodo en el lado opuesto de la fuente de luz. Cuando una persona entra por la puerta, el haz de luz se rompe y suena la alarma. 

Contador de circuito con fotodiodo

Cuando un número de artículos  atraviesa una cinta transportadora, estos pueden contarse fácilmente mediante el uso de fotodiodos. Aquí, conectamos una fuente de luz en un lado de la cinta transportadora y un fotodiodo en el lado opuesto de la cinta. La fuente de luz y el fotodiodo están instalados de tal manera que la luz llega directamente al fotodiodo. A medida que la luz cae sobre el fotodiodo , habrá una corriente de recuperación inversa en el circuito. Conectamos el fotodiodo con un circuito contador. El haz de luz se rompe, el contador obtiene un incremento. Cuando un artículo pasa el haz de luz, rompe el haz de luz y el contador cuenta el artículo.
  

▷ ¿Qué es el fotodiodo? Trabajos de construcción Aplicaciones características

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