¿Qué es el voltaje de ruptura en los diodos de unión y el diodo Zener?

Según sus características eléctricas, los materiales se clasifican en conductores, semiconductores y aislantes. Los conductores son materiales que pueden conducir fácilmente la electricidad. Por el contrario, los materiales que no pueden conducir electricidad se clasifican como aislantes. Las características de los materiales semiconductores se encuentran entre los conductores y los aislantes. Al trabajar con aisladores, los investigadores han observado que se puede hacer que el material aislante se comporte como un conductor cuando se le aplica cierta cantidad de electricidad. Este fenómeno se ha denominado Breakdown, y el voltaje mínimo al que se presenta se conoce como Breakdown Voltage. Estos niveles de voltaje son diferentes para diferentes materiales y también dependen de sus propiedades físicas.

¿Qué es un voltaje de ruptura?

La tensión de ruptura es la característica de los materiales aislantes. El nivel de voltaje mínimo en el que un aislador comienza a comportarse como conductor y conduce la electricidad se conoce como "voltaje de ruptura". También se conoce como la rigidez dieléctrica del material.

La conducción de electricidad solo es posible cuando hay cargas eléctricas en movimiento en los materiales. Los aisladores no pueden conducir electricidad porque no contienen carga eléctrica de libre movimiento. Cuando se aplica una diferencia de potencial a través del aislador, no conduce electricidad.

Cuando el valor de la diferencia de potencial aplicada aumenta más allá de ciertos niveles, algunos pares de electrones se rompen y comienza el proceso de ionización en el material. Esto conduce a la formación de electrones móviles libres. Estas cargas en movimiento comienzan a moverse desde el extremo positivo al extremo negativo provocando el flujo de electricidad.

Así, el aislante comienza a conducir la electricidad y se comporta como un conductor. Este proceso se conoce como ruptura eléctrica del material y la tensión mínima a la que se inicia este fenómeno se denomina “tensión de ruptura del material”. Este nivel de voltaje varía para diferentes tipos de materiales según la composición del material, la forma, el tamaño y la longitud del material entre los contactos eléctricos. El valor de la tensión de ruptura de un material dado por los fabricantes es generalmente el valor de la tensión de ruptura promedio.

Voltaje de ruptura del diodo

Los diodos son los semiconductores y sus propiedades eléctricas se encuentran entre las de los conductores y aislantes. Un diodo de unión PN se forma utilizando material de tipo P y tipo N. Los diodos de unión PN contienen una banda prohibida a través de la cual tiene lugar el intercambio de portadores de carga. Cuando se aplica polarización directa, la corriente fluye en la dirección directa y se produce la conducción. Cuando se aplica polarización inversa, no debe ocurrir conducción. Pero debido a la presencia de portadores de carga minoritarios, una pequeña corriente inversa fluye a través del diodo conocida como corriente de fuga.

Debido al flujo de corriente inversa, aumenta el ancho de la barrera de unión. Cuando este voltaje de polarización inversa aplicado aumenta gradualmente hasta cierto punto, se puede observar un rápido aumento en la corriente inversa. Esto se conoce como ruptura de unión. El correspondiente voltaje inverso aplicado en este punto se conoce como Voltaje de ruptura del diodo de unión PN. Esto también se conoce como Tensión de ruptura inversa.

El factor esencial para determinar el voltaje de ruptura del diodo es su concentración de dopaje. Superar este nivel de voltaje hace que la corriente de fuga del diodo aumente exponencialmente. Durante una falla de diodo, se puede observar un sobrecalentamiento. Por lo tanto, cuando se opera con voltajes inversos, se utilizan disipadores de calor y resistencias externas.

Voltaje de ruptura del diodo Zener

Los diodos Zener se utilizan como elementos básicos en los circuitos electrónicos. Se utilizan comúnmente para proporcionar un voltaje de referencia a los circuitos electrónicos. Están diseñados para operar en las regiones de ruptura del diodo.

Los diodos Zener son diodos fuertes que pueden operar de manera confiable en regiones con polarización inversa. Aquí, la ruptura se produce debido al efecto Zener. En el efecto Zener, cuando el campo eléctrico del diodo PN con polarización inversa aumenta, se produce un efecto túnel de los electrones de valencia en la banda de conducción. Esto conduce a un aumento de los portadores de carga minoritarios, lo que aumenta la corriente inversa. Este fenómeno se conoce como efecto Zener y el voltaje mínimo en el que comienza este fenómeno se conoce como voltaje de ruptura Zener.

Distribución de avalanchas

En un diodo ligeramente dopado, la ruptura ocurre debido al efecto de avalancha. Aquí, en el efecto de avalancha, cuando un diodo opera en polarización inversa debido a un aumento del campo eléctrico, los portadores de carga minoritarios ganan energía cinética y chocan con los pares electrón-hueco, rompiéndolos uniéndolos covalentemente y creando nuevos portadores de carga móviles. Este aumento del número de portadores de carga minoritarios provoca un aumento de la corriente inversa que provoca la avería. Aquí el voltaje de ruptura se llama Voltaje de ruptura de avalancha.

El voltaje de ruptura del diodo Zener comúnmente disponible varía de 1,2 V a 200 V. El diodo Zener muestra una ruptura controlada y no requiere ningún circuito externo para limitar la corriente. Las características VI del diodo de ruptura de avalancha aumentan gradualmente, mientras que para un diodo de ruptura Zener las características VI son claras.

Descomposición en sólidos, líquidos y gases

Además de los sólidos, muchos gases y líquidos también tienen propiedades aislantes y también sufren fenómenos de descomposición. La rigidez dieléctrica mínima del silicio a temperatura ambiente se puede calcular utilizando la fórmula siguiente.

|ε_hermano| =(12×10⁵)/(3-log(N/10^dieciséis))V/cm

El aire también actúa como aislante en condiciones estándar de presión atmosférica. Es una avería cuando la tensión aumenta más allá de 3,0 kv/mm. Los voltajes de ruptura de gas se pueden calcular usando Ley de Paschen. En condiciones de vacío parcial, el voltaje de ruptura del aire disminuye Cuando el aire experimenta un destello de descomposición, se producen chispas. Estos voltajes también se denominan voltajes de ruptura.

los voltaje de ruptura del aceite del transformador también se conoce como rigidez dieléctrica. Es el valor de voltaje al cual se observan chispas entre dos electrodos separados por un espacio e inmersos en aceite de transformador. Cuando hay humedad u otras sustancias conductoras en el aceite, se observan valores más bajos de voltajes de ruptura. La rigidez dieléctrica mínima del aceite de transformador ideal es de 30 KV.

La ruptura también se puede observar en los cables que transportan corriente. La tensión de ruptura del cable depende de la presencia de humedad a su alrededor, del tiempo de aplicación de la tensión y de la temperatura de funcionamiento de los cables. ¿Cuál es el voltaje de ruptura mínimo de un diodo Zener?