Qué es el diodo Shockley: Funcionamiento y aplicaciones
El diodo Shockley fue fabricado y comercializado a finales de los años 50 por el Laboratorio de Semiconductores Shockley. Este diodo recibió el nombre de su inventor, William Bradford Shockley. Este diodo fue el primer dispositivo de la familia de los tiristores. Este diodo ayudó a crear otros tipos de tiristores como TRIAC, DIAC y SCR. Es un diodo semiconductor de cuatro capas y equivale a un tiristor con la puerta desconectada. Este artículo presenta una visión general de una Diodo Shockley y su funcionamiento con aplicaciones.
¿Qué es un diodo Shockley?
La definición de un diodo Shockley es: un diodo semiconductor de conmutación que consta de cuatro capas como P-N-P-N y dos terminales como ánodo y cátodo; este diodo también se llama diodo PNPN o diodo de cuatro capas.
El funcionamiento de este diodo es similar al de un diodo normal, con la exclusión de cualquier entrada de disparo. Estos diodos simplemente proporcionan dos condiciones, ON u OFF, por lo que se clasifican como tiristores. Este diodo tiene una característica de resistencia negativa, lo que significa que cuando la tensión aumenta en los terminales del dispositivo, la corriente eléctrica que lo atraviesa disminuye. El símbolo del diodo Shockley se muestra en el siguiente diagrama.
Construcción y funcionamiento del diodo Shockley
La construcción del diodo Shockley puede hacerse conectando las 4 capas para formar una unión PNPN. A continuación se muestra el circuito equivalente de los dos transistores de este diodo. En este circuito, el terminal de colector del transistor "T1" está conectado al terminal de base del transistor T2.
La unión J1 puede formarse en la unión emisor-base (EB) del transistor T1, mientras que la unión J2 puede formarse en la unión base-colector (BC) entre T1 y T2. La unión J3 puede formarse en la unión BE del transistor T2.
Las cuatro capas comprenden internamente dos transistores. Así, J1 es la unión EB del transistor T1 y la unión J2 es el enlace común BC de los transistores T1 y T2 y la unión BE del transistor T2 es J3.
Cuando este diodo funciona en polarización directa, ambas uniones J1 y J3 están en polarización directa y la unión J2 está en polarización inversa. Del mismo modo, cuando J1 y J3 están conectados en polarización inversa y J2 está en polarización directa, el dispositivo empieza a funcionar en este modo. Sin embargo, cuando el diodo funciona en modo de polarización inversa y la tensión supera la tensión de ruptura, el diodo se daña. Por esta razón, el diodo sólo funciona en modo polarizado hacia delante.
Diodo Schottky vs Diodo Shockley
La diferencia entre el diodo Schottky y el diodo Shockley se ilustra a continuación.
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Diodo Schottky |
Diodo Shockley |
| El diodo Schottky es un diodo de unión semiconductor con dos capas metálicas. | El diodo Shockley es un diodo semiconductor de cuatro capas (PNPN). |
| La unión del diodo Schottky puede formarse con diferentes materiales, como el molibdeno, el cromo, el tungsteno y el platino. | La unión del diodo Shockley puede estar formada por diferentes metales, como el tungsteno, el oro, el cromo, el molibdeno, el platino o algunos siliciuros. |
| La función de este diodo es reducir la temperatura. | La función de este diodo es la misma que la de un diodo normal sin entrada de disparo. |
| El diodo Schottky funciona como dispositivo de rectificación y señalización. | Este diodo funciona como una célula solar inorgánica y un dispositivo de conmutación. |
| Estos diodos se utilizan por su rápido tiempo de recuperación, su baja tensión de encendido y su menor pérdida de energía a altas frecuencias. | Estos diodos se utilizan principalmente para aplicaciones de conmutación, como los osciladores de relajación y los interruptores de disparo. |
Diodo Shockley como interruptor de disparo
Los diodos Schooley se utilizan como circuitos de conmutación para activar el rectificador controlado por silicio. En el siguiente circuito, el SCR se puede activar a través del diodo Shockley. La red RC se alimenta con una corriente continua para accionar el diodo.
Cuando se suministra corriente alterna, el diodo se pone en polarización directa y el condensador se carga a través de la resistencia. Cuando la tensión de carga del condensador alcanza la tensión de ruptura del diodo, éste comienza a conducir y el condensador empieza a descargarse a través del diodo. La conducción del diodo hará que se active el SCR, tras lo cual el zumbador generará una alarma.
Una vez que el SCR se enciende, permanece en estado de bloqueo. Por tanto, el diodo del circuito no tiene ningún efecto en la desconexión del SCR. Sin embargo, el tiempo de encendido del SCR puede controlarse eligiendo los valores adecuados para los condensadores y las resistencias.
Derivación de la ecuación del diodo de Shockley
La ecuación del diodo de Shockley da las características I-V del diodo tanto en polarización directa como inversa. Así, la ecuación del diodo de Shockley puede darse como
I = Is( e^Vd/(nVt)-1
Aquí,
i' es la corriente del diodo,
es" es la corriente de saturación en polarización inversa,
Vd es la tensión a través del diodo,
Vt es la tensión térmica,
n" es el factor de idealidad o factor de calidad o coeficiente de emisión.
Este factor "n" varía de 1 a 2 según el procedimiento de fabricación y el material semiconductor.
La tensión térmica como "Vt" es de aproximadamente 25,85 mV a una temperatura de 300 K, una temperatura cercana a la temperatura ambiente que se suele utilizar en el software de simulación de dispositivos. Así, a cualquier temperatura, es una constante que puede venir dada por:
Vt= kT/q
Aquí,
k' es la constante de Boltzmann.
t" es la temperatura absoluta de la unión PN
q" es la magnitud de la carga del electrón.
Características
El Características del diodo Shockley incluyen lo siguiente.
La característica tensión-corriente del diodo Shockley se muestra en la siguiente figura. Este diodo tiene dos condiciones de funcionamiento: conductor y no conductor. En el estado no conductor, este diodo funciona en una línea inferior con una corriente despreciable y una tensión inferior a la sobretensión o tensión de conmutación.
Cuando la tensión intenta superar la sobretensión de ruptura, el dispositivo se rompe y atraviesa la línea discontinua en dirección al estado de conmutación o conducción. En este caso, la línea de puntos se conoce como una condición inestable o temporal.
En esta línea de puntos, el aparato permanece en este estado durante un breve tiempo, ya que cambia entre las dos condiciones de funcionamiento estables. En un estado de encendido o conducción, el dispositivo puede funcionar en la línea superior si la corriente en todo el dispositivo es mayor que la corriente de mantenimiento (IH), entonces la tensión a través de ella es ligeramente superior a la tensión de rodilla (VK). Una vez que la corriente cae por debajo del nivel de corriente de mantenimiento, el dispositivo vuelve a pasar por la línea de puntos al estado de apagado o no conductor.
Tensión de ruptura y tensión de ruptura inversa
Una vez que este diodo está polarizado hacia delante, ofrece una gran resistencia al flujo de corriente. Cuando la tensión de avance aumenta, la polarización inversa en la unión J2 también aumenta. En la tensión de ruptura VBo, se produce la ruptura inversa de la unión J2. Esta ruptura reducirá la resistencia, por lo que el diodo ofrecerá menos resistencia. De este modo, pasa al estado de conducción y actúa como un interruptor. Entonces, la corriente comienza a fluir a través de ella.
Del mismo modo, en condiciones de polarización inversa, si se aumenta suficientemente la tensión inversa, ésta alcanza la tensión de ruptura inversa o VBR. A esta tensión, las dos uniones como J1 y j3 entrarán en ruptura de tensión inversa. El flujo de corriente inversa a través de ellos aumentará rápidamente y el calor generado por este flujo de corriente podría dañar el dispositivo. Por tanto, este diodo nunca funcionará con una tensión inversa superior a la tensión de ruptura inversa.
Ventajas y desventajas
El ventajas del diodo Shockleye incluyen lo siguiente.
- Estos diodos tienen una alta velocidad de conmutación.
- El rendimiento es mayor que el de un transistor porque su estructura consta de dos transistores conectados a través de un terminal común.
- Está bloqueado en el estado de encendido.
- La caída de tensión hacia delante es baja, por lo que la disipación de energía también es baja.
- La tensión inversa se puede bloquear fácilmente.
- Se puede proteger con un fusible contra la sobrecorriente.
El desventajas del diodo Shockley incluyen lo siguiente.
- Su construcción es bastante difícil porque utiliza cuatro capas de material semiconductor.
- Sólo conduce en una dirección.
- Puede encenderse repentinamente por efecto de la velocidad.
- No es fácil desconectarse.
- No se puede controlar la velocidad.
- No incluye ningún terminal de control.
- No hay control por encima de la tensión de ruptura hacia delante.
Aplicaciones
Las aplicaciones del diodo Shockley son las siguientes
- Este diodo puede utilizarse como interruptor de disparo en los circuitos para encender un SCR.
- Se puede utilizar en los osciladores de relajación.
Por lo tanto, es una visión general del diodo Shockley que funciona como un interruptor. Este diodo ofrece una resistencia muy alta y no conduce la corriente cuando la tensión de avance está por debajo de la tensión de ruptura. Asimismo, este diodo ofrece una resistencia muy baja cuando la tensión está por encima del valor de ruptura. Aquí tienes una pregunta: ¿qué es un tiristor?
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