REGIÓN ZENER, TIPOS DE DIODOS y EFECTOS DE TEMPERATURA

Región Zener 

Aun cuando en la gráfica de un diodo está en décimas de volts en la región negativa

hay un punto donde la aplicación de un voltaje demasiado negativo producirá un cambio abrupto de las características, como se muestra en la figura de abajo. La corriente se incrementa muy rápido en una dirección opuesta a la de la región de voltaje positivo. El potencial de polarización en inversa que produce este cambio dramático de las características se llama potencial Zener y su símbolo es $VZ$.

A medida que se incrementa el voltaje a través del diodo en la región de polarización en inversa, también se incrementará la velocidad de los portadores minoritarios responsables de la corriente de saturación en inversa $I_{s}$ es decir  decir, se producirá un proceso de ionización por medio del cual los electrones de valencia absorben suficiente energía para abandonar el átomo padre. Estos portadores adicionales pueden ayudar entonces al proceso de ionización al punto en que se establece una corriente de avalancha y determina la región de ruptura de avalancha.

Se puede hacer que la región de avalancha ($V-{Z}$) se acerque al eje vertical incrementando los niveles de dopado en los materiales $p$ y $n$. Sin embargo, conforme $V_{Z}$ se reduce a niveles muy bajos, por ejemplo $–5 V$, otro mecanismo, llamado ruptura Zener contribuirá al cambio abrupto de la característica. Esto sucede porque hay un fuerte campo eléctrico en la región de la unión que puede desbaratar las fuerzas de enlace dentro del átomo y “generar” portadores. Aun cuando el mecanismo de ruptura Zener es un contribuyente significativo sólo a niveles bajos de $V_{Z}$, este cambio abrupto de la característica a cualquier nivel se llama región Zener y los diodos que emplean esta parte única de la característica de una unión $p–n$ se llaman diodos Zener.

Diodos de Ge, Si, GaAs

El análisis realizado hasta ahora ha utilizado únicamente silicio(Si) como material semiconductor base. Ahora es importante compararlo con otros dos materiales de primordial importancia: Arseniuro de Galio(GaAs) y Germanio(Ge). 

En la gráfica aparece una gráfica que compara las características de diodos de Si, GaAs y Ge comerciales. Es obvio que el punto de levantamiento vertical de las características es diferente para cada material, aunque la forma general de cada una es muy semejante. El germanio es el más cercano al eje vertical y el GaAs es el más distante. Como se observa en las curvas, el centro de la rodilla de la curva está aproximadamente en $0.3 V$ para Ge, $0.7 V$ para Si y $1.2 V$ para GaAs.

La forma de la curva en la región de polarización inversa también es bastante parecida para cada material, pero observe la diferencia medible en las magnitudes de las corrientes de saturación en inversa típicas. Para GaAs, la corriente de saturación en inversa es por lo general de proximadamente $1 pA$, comparada con $10 pA$ para Si y $1 mA$ para Ge; una diferencia significativa de niveles.

También observe las magnitudes relativas de los voltajes de ruptura en inversa para cada material. El GaAs en general tiene niveles de ruptura máximos que superan a los de los dispositivos de Si del mismo nivel de potencia en aproximadamente 10%, y ambos tienen voltajes de ruptura que por lo general oscilan entre $50 V$ y $1 kV$. Hay diodos de potencia de Si con voltajes de ruptura tan altos como $20 kV$. El germanio suele tener voltajes de ruptura de menos de $100 V$, con máximos alrededor de $400 V$. Las curvas de la gráfica están diseñadas sólo para reflejar voltajes de ruptura de los tres materiales. Cuando se consideran los niveles de las corrientes de saturación en inversa y los voltajes de ruptura, el Ge ciertamente sobresale porque tiene las características mínimas deseables.

Efectos de Temperatura

 

La temperatura puede tener un marcado efecto en las características de un diodo semiconductor como lo demuestran las características de un diodo de silicio.

En la región de polarización en directa las características de un diodo de silicio se desplazan a la izquierda a razón de $2.5 mV$ por grado centrígrado de incremento de temperatura.

Un incremento desde la temperatura ambiente ($20°C$) hasta $100 °C$ (el punto de ebullición del agua) produce una caída de $80(2.5 mV ) = 200 mV$ o $0.2 V$, lo cual es significativo en una gráfica graduada en décimas de volts. Una reducción de la temperatura tiene el efecto inverso, como también se muestra en la figura. En la región de polarización en inversa la corriente de saturación en inversa de un diodo de silicio se duplica por cada $10°C$ de aumento de la temperatura.

Con un cambio de $20°C$ a $100°C$, el nivel de $I_{s}$ se incrementa desde $10 nA$ hasta un valor de $2.56 mA$, el cual es un incremento significativo de $256$ veces. Continuando hasta $200°C$ se tendría una corriente de saturación en inversa monstruosa de $2.62 mA$. En aplicaciones a alta temperatura se tendrían que buscar por consiguiente diodos con $I_{s}$ a temperatura ambiente de cerca de $10 pA$, un nivel comúnmente disponible en la actualidad, el cual limitaría la corriente a $2.62mA$. En realidad, es una fortuna que tanto Si como GaAs tengan corrientes de saturación en inversa relativamente pequeñas a temperatura ambiente. Hay dispositivos de GaAs disponibles que funcionan muy bien en el intervalo de temperatura de $–200°C$ a $ 200°C$, y algunos tienen temperaturas máximas que se aproximan a $400°C$. Considere, por un momento, qué tan grande sería la corriente de saturación en inversa si iniciáramos con un diodo de Ge con una corriente de saturación de $1 mA$ y aplicáramos el mismo factor de duplicación.