Los diodos de avalancha son dispositivos semiconductores que funcionan en modo de polarización inversa y están diseñados específicamente para descomponerse a un voltaje especifico. Estos diodos se utilizan ampliamente en una variedad de aplicaciones, como regulador de voltaje, supresor de voltaje transitorio y referencia de tensión.
Este artículo explorará los fundamentos de los diodos de avalancha, incluido su funcionamiento, características y aplicaciones.
¿Qué es un Diodo Avalancha?
El diodo avalancha es un tipo de diodo diseñado específicamente para funcionar en la región de ruptura inversa o región de ruptura por avalancha. Están diseñados para romperse a una tensión precisa en la que el nivel de tensión viene determinado por la concentración de dopaje.
El diodo de unión PN convencional tiene una enorme concentración de corriente que crea puntos calientes que causan daños irreversibles. La unión del diodo avalancha está diseñada para evitar dicha concentración de corriente y puntos calientes. Por lo tanto, el diodo avalancha no se daña en la región de ruptura por avalancha.
Su funcionamiento es similar al del diodo Zener: conduce tanto en polarización directa como inversa. Pero el diodo de avalancha proporciona una protección contra sobretensiones mucho mejor que el diodo Zener.
Símbolo del Diodo Avalancha
El símbolo del diodo avalancha es similar al del diodo zener. El diodo avalancha consta de dos terminales: ánodo y cátodo. Su símbolo se muestra en la siguiente figura.
El símbolo del diodo avalancha es similar al del diodo normal pero con los bordes doblados en la barra vertical.
Construcción
Los diodos avalancha se fabrican generalmente con silicio u otros materiales semiconductores. La construcción del diodo de avalancha es similar a la del diodo Zener, pero el nivel de dopaje en el diodo de avalancha difiere del diodo zener.
Los diodos zener están muy dopados. Por lo tanto, la anchura de la región de agotamiento en el diodo zener es muy fina. Debido a esta fina capa o región de agotamiento, la ruptura inversa se produce a tensiones más bajas en el diodo zener.
Por otro lado, los diodos avalancha están ligeramente dopados. Por lo tanto, la anchura de la capa de agotamiento en el diodo de avalancha es muy amplia en comparación con el diodo zener. Debido a esta amplia región de agotamiento, la ruptura inversa se produce a voltajes más altos en el diodo Avalancha. La tensión de ruptura del diodo avalancha se establece cuidadosamente controlando el nivel de dopaje durante la fabricación.
Principio de funcionamiento de los diodos de avalancha
En una unión PN con una baja concentración de material dopante, el campo eléctrico en la región de carga espacial incrementa a medida que aumenta el voltaje inverso de la unión PN. De esta forma, la energía obtenida por los electrones y huecos que atraviesan la región de carga espacial aumentará bajo la acción del campo eléctrico.
Los electrones y los huecos que se mueven en el cristal chocarán constantemente con los átomos, y cuando la energía de los electrones y los huecos es lo suficientemente grande, los electrones en el enlace covalente pueden excitarse para formar un par libre electrón-hueco.
Los electrones y huecos recién generados también se mueven en la dirección opuesta, recuperando energía y generando pares electrón-hueco mediante colisión. Este es el efecto multiplicador de los portadores.
Cuando el voltaje inverso aumenta a un cierto valor, la situación de multiplicación es como si se produjera una avalancha en una montaña empinada cubierta de nieve. Los portadores aumentan mucho más rápidamente y la corriente inversa aumenta bruscamente, y se produce la ruptura por avalancha en la unión PN. Esta característica se puede utilizar para fabricar diodos de alto voltaje inverso.
Tipos de Diodos de Avalancha
Existen varios tipos de diodos de avalancha, cada uno con sus características y aplicaciones específicas. Algunos tipos comunes son:
- Fotodiodo de avalancha (APD): Los APD son dispositivos fotosensibles que pueden detectar señales luminosas de baja intensidad. Suelen utilizarse en sistemas de comunicación óptica, LIDAR y equipos médicos por su alta sensibilidad y velocidad.
- Diodo de supresión de tensión transitoria (TVS): Los diodos TVS están diseñados para proteger circuitos electrónicos sensibles de picos de tensión y sobretensiones transitorias. Se suelen utilizar en aplicaciones de protección contra sobretensiones, como el filtrado de fuentes de alimentación y la protección contra descargas electrostáticas.
- Diodo de referencia de tensión: Estos diodos están específicamente diseñados para mantener una tensión de referencia estable, lo que los hace adecuados para su uso en circuitos de regulación de tensión y fuentes de alimentación.
Aplicaciones
Los diodos avalancha se utilizan en una amplia gama de aplicaciones debido a sus propiedades únicas. Algunas aplicaciones comunes incluyen:
- Protección contra sobretensiones: Los diodos avalancha, en particular los diodos TVS, se utilizan para proteger componentes electrónicos sensibles de picos de tensión y sobretensiones transitorias que pueden causar daños o reducir su vida útil.
- Regulación de tensión: Los diodos de referencia de tensión proporcionan una tensión de referencia estable, lo que los convierte en la opción ideal para su uso en circuitos de regulación de tensión y fuentes de alimentación. Ayudan a mantener una tensión de salida constante a pesar de las fluctuaciones de la tensión de entrada o de la corriente de carga.
- Comunicación óptica: Los fotodiodos de avalancha (APD) se utilizan en sistemas de comunicación óptica de alta velocidad, como las redes de fibra óptica, para convertir las señales luminosas entrantes en señales eléctricas con una degradación mínima de la señal.
- Medición de distancias: Los APD se utilizan habitualmente en sistemas LIDAR para medición de distancias, navegación y detección de obstáculos en vehículos autónomos, robótica y drones.
- Equipos médicos: Los APD se emplean en diversos dispositivos médicos, como escáneres de tomografía por emisión de positrones (PET) y sistemas de tomografía de coherencia óptica (OCT), para proporcionar imágenes de alta resolución con fines de diagnóstico.
Selección de un diodo avalancha
Al seleccionar un diodo de avalancha para una aplicación específica, deben tenerse en cuenta varios factores, entre ellos:
- Tensión de ruptura: Elija un diodo de avalancha con una tensión de ruptura que cumpla los requisitos de su aplicación. Asegúrese de que la tensión de ruptura es suficiente para soportar los niveles de tensión previstos en el sistema.
- Potencia nominal: La potencia nominal del diodo debe ser capaz de gestionar la disipación de potencia que se produce durante el funcionamiento. Si se sobrepasa la potencia nominal, puede producirse un fallo del dispositivo o reducirse su vida útil.
- Tiempo de respuesta: Para aplicaciones que requieren una respuesta transitoria rápida, como la protección contra sobretensiones, elija un diodo de avalancha con un tiempo de respuesta rápido.
- Rango de temperatura: Asegúrese de que el diodo de avalancha puede funcionar dentro del rango de temperatura previsto para su aplicación. Seleccione un diodo con una tensión de ruptura estable en todo el rango de temperaturas para obtener un rendimiento óptimo.
- Tipo de encapsulado: Considere el tipo de encapsulado del diodo en función del espacio disponible y los requisitos de montaje de su diseño.
Ventajas y desventajas del diodo de avalancha
Estas son las ventajas y desventajas de los diodos de avalancha:
Ventajas del diodo avalancha:
- Alta sensibilidad: Los diodos de avalancha ofrecen una alta sensibilidad a la luz de baja intensidad, lo que los hace ideales para aplicaciones en las que es crucial detectar señales débiles o fenómenos de bajo nivel de luz.
- Ganancia interna: Los diodos de avalancha utilizan la ganancia interna, donde un solo fotón puede producir un gran número de pares electrón-hueco a través de la multiplicación de avalancha. Esta característica amplifica la débil señal entrante, mejorando la relación señal-ruido.
- Tiempo de respuesta rápido: Los diodos de avalancha tienen tiempos de respuesta rápidos, lo que resulta beneficioso en aplicaciones que requieren una detección y un procesamiento de señales rápidos, como los sistemas de comunicación óptica y lidar.
- Bajo nivel de ruido: Los diodos de avalancha suelen tener cifras de ruido más bajas en comparación con los fotodiodos convencionales, lo que contribuye a mejorar la precisión de la detección.
- Gama espectral más amplia: Los diodos de avalancha pueden diseñarse para funcionar en una amplia gama de longitudes de onda, desde luz visible hasta infrarrojos e incluso rayos X, lo que los hace versátiles para diversas aplicaciones ópticas y fotónicas.
- Tamaño compacto: Los diodos de avalancha están disponibles en paquetes pequeños, lo que permite su integración en dispositivos compactos y portátiles.
Desventajas del diodo avalancha:
- Alta tensión de funcionamiento: Los diodos de avalancha requieren una tensión de funcionamiento relativamente alta para alcanzar el punto de ruptura por avalancha, lo que puede no ser adecuado para aplicaciones de baja potencia y que funcionan con baterías.
- Rango dinámico limitado: La ganancia interna de los diodos de avalancha puede saturarse a altos niveles de luz, lo que limita su rango dinámico. En situaciones con intensidades de luz muy variables, puede resultar difícil mantener la linealidad de la señal.
- Sensibilidad a la temperatura: El rendimiento de los diodos de avalancha puede ser sensible a las variaciones de temperatura, lo que requiere un control o compensación de la temperatura para un funcionamiento constante.
- Polarización compleja: La polarización adecuada de los diodos de avalancha puede ser más compleja en comparación con los fotodiodos estándar, ya que el control del proceso de avalancha requiere una regulación precisa de la tensión.
- Corriente oscura: Los diodos de avalancha pueden tener corrientes oscuras más altas en comparación con los fotodiodos convencionales, lo que puede afectar a la detección de señales débiles en condiciones de poca luz.
- Disponibilidad limitada en el mercado: Los diodos de avalancha son componentes especializados y pueden tener una disponibilidad limitada en comparación con los fotodetectores y fotodiodos más comunes.
En resumen, los diodos de avalancha ofrecen ventajas como alta sensibilidad, ganancia interna, tiempos de respuesta rápidos, bajo ruido, un amplio rango espectral y tamaño compacto. Sin embargo, también tienen limitaciones que incluyen alto voltaje de funcionamiento, rango dinámico limitado, sensibilidad a la temperatura, polarización compleja, corriente oscura y disponibilidad limitada en el mercado. La elección de utilizar diodos de avalancha debe basarse en su idoneidad para aplicaciones específicas que requieren alta sensibilidad y detección de bajo nivel de luz, considerando al mismo tiempo sus desventajas asociadas.
PREGUNTAS FRECUENTES
El efecto avalancha en un diodo se refiere a un fenómeno en el que un diodo con polarización inversa, bajo un voltaje que aumenta gradualmente, experimenta una multiplicación repentina y rápida de portadores de carga, principalmente electrones y huecos. Esta multiplicación se produce debido a la ionización por impacto, donde los portadores de alta energía generan portadores adicionales cuando chocan con los átomos de la red. Esta avalancha de portadores de carga provoca un fuerte aumento de la corriente y puede explotarse en diodos de avalancha para aplicaciones como protección contra sobretensiones, fijación de señales y detección de alta sensibilidad.
En electrónica, un diodo de avalancha es un diodo (hecho de silicio u otro semiconductor) que está diseñado para experimentar una ruptura por avalancha con un voltaje de polarización inversa específico.
La principal diferencia entre la ruptura Zener y la ruptura por Avalancha es su mecanismo de aparición. La ruptura Zener se produce debido al alto campo eléctrico, mientras que la ruptura por avalancha se produce debido a la colisión de electrones libres con átomos. Ambas rupturas pueden ocurrir simultáneamente.
La avalancha se produce en los diodos cuando la tensión a través de un diodo supera un valor especificado. Un diodo de avalancha es un diodo diseñado para descomponerse y conducir a una tensión de polarización inversa especificada. Es algo similar, pero no idéntico, a la ruptura Zener.
La ruptura por avalancha en un diodo se produce cuando aplicamos una tensión inversa elevada a través del diodo que es superior a la tensión de ruptura del zener. Por lo tanto, la ruptura por avalancha en un diodo se produce cuando la polarización inversa supera un determinado valor.
El efecto Zener es distinto de la ruptura por avalancha. La ruptura por avalancha ocurre en uniones ligeramente dopadas, lo que produce una región de agotamiento más amplia. El aumento de temperatura en la unión aumenta la contribución del efecto Zener a la ruptura y disminuye la contribución del efecto avalancha.