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Guía completa de diodos túnel
Existen diferentes tipos de diodos y cada uno está diseñado para cumplir propósitos distintos en aplicaciones de circuitos; por ejemplo, los diodos rectificadores se utilizan para convertir el voltaje de CA de la red eléctrica a CC y los diodos TVS se utilizan para protección contra sobretensiones y ESD.
Los diodos convencionales suelen presentar resistencia positiva cuando se polarizan en directo (es decir, la corriente que fluye a través de un circuito aumenta a medida que aumenta el voltaje). Por otro lado, un diodo túnel presenta resistencia negativa entre dos valores de voltaje directo; en otras palabras, la corriente disminuye a medida que aumenta el voltaje en ciertas regiones en la dirección directa. Esto hace que el diodo túnel sea una opción preferida en aplicaciones como circuitos de conmutación de alta velocidad.
En este artículo, explicaremos los detalles principales y el funcionamiento, así como las aplicaciones de los diodos túnel, brindándole el conocimiento fundamental que necesita como ingeniero que diseña sistemas que incorporan diodos túnel o educándolo como un entusiasta del aprendizaje de electrónica que recién está comenzando a aprender sobre ellos.
Vamos directo al grano.
¿Qué es un diodo túnel?
Un diodo túnel, también conocido como diodo Esaki, es un diodo semiconductor de unión p-n que presenta resistencia negativa entre dos valores de voltaje directo, es decir, entre el voltaje del punto pico y el voltaje del punto valle.
Un diodo semiconductor típico normalmente presenta resistencia positiva cuando está polarizado en directa, pero si una unión semiconductora se dopa intensamente con impurezas, presenta resistencia negativa (es decir, la corriente disminuye a medida que aumenta el voltaje) en ciertas regiones en la dirección directa; esta es una característica clave de un diodo túnel.
Esta propiedad única de los diodos túnel surge del efecto túnel cuántico y hace que los diodos túnel sean especialmente valiosos en aplicaciones de microondas y de alta frecuencia, donde pueden actuar como amplificadores, osciladores y conmutadores de alta velocidad.
¿Cómo funciona un diodo túnel?
En esencia, el diodo túnel sigue siendo una unión p-n pero con dopaje pesado de materiales semiconductores de tipo p y de tipo n. De hecho, un diodo túnel tiene un dopaje aproximadamente 1000 veces mayor que el de un diodo convencional.
El dopaje fuerte en un diodo túnel da lugar a un gran número de portadores mayoritarios. Debido a la gran cantidad de portadores, la mayoría no se utilizan durante la recombinación inicial que produce la capa de agotamiento. En consecuencia, la capa de agotamiento es muy estrecha.
Esta capa de agotamiento muy estrecha es lo que hace posible el efecto túnel. El efecto túnel se puede definir como el movimiento de los electrones de valencia de la banda de energía de valencia a la banda de conducción con un voltaje directo aplicado mínimo o nulo. En otras palabras, podemos decir que los electrones de valencia parecen tunelizar a través de la banda de energía prohibida.
Debido a que la capa de agotamiento es extremadamente delgada, se necesita un voltaje directo aplicado muy pequeño para que ocurra la conducción. A medida que el voltaje directo aumenta a través de un cierto rango, la corriente de túnel primero aumenta y luego disminuye, formando la región de resistencia negativa que diferencia al diodo túnel de los diodos ordinarios.
Características I-V del Diodo Túnel
Cuando se aplica un pequeño voltaje polarizado en directa a través de un diodo túnel, este comienza a conducir corriente. A medida que se aumenta el voltaje, la corriente aumenta y alcanza un valor pico llamado corriente pico (IP = 2.2 mA) a un voltaje de punto pico (VP = 0.07 V) aproximadamente. Hasta este punto, el diodo ha exhibido resistencia positiva.
Si el voltaje se aumenta un poco más, más allá de VP, la corriente realmente comienza a disminuir hasta alcanzar un punto bajo llamado corriente de valle (IV = 0.3 mA) y donde el voltaje del punto de valle (Vv = 0.7 V).
En la región entre el punto pico y el punto valle, es decir, entre los puntos P y V, el diodo presenta resistencia negativa, es decir, a medida que aumenta la tensión de polarización directa, la corriente disminuye. Esto sugiere que el diodo túnel, si opera en la región de resistencia negativa, puede ser utilizado como un oscilador o un conmutador.
Si el voltaje se incrementa aún más más allá de VV = 0.7 V, la corriente comienza a aumentar de nuevo, esta vez sin disminuir a otro ‘valle’; en otras palabras, desde el punto V en adelante, el diodo túnel se comporta como un diodo normal, es decir, el diodo vuelve a presentar resistencia positiva.
Tenga en cuenta que el diodo túnel normalmente tiene una alta corriente inversa, pero la operación en esta condición no se usa normalmente.
Las tensiones de polarización directa necesarias para que un diodo túnel alcance sus corrientes pico y valle se conocen como tensión pico VP y tensión valle VV, respectivamente. La región en la gráfica donde la corriente disminuye mientras el voltaje aplicado aumenta, es decir, entre VP y VV en la escala horizontal, se conoce como la región de resistencia negativa.
Los diodos túnel son capaces de transicionar entre niveles de corriente pico y valle muy rápidamente, cambiando entre estados de alta y baja conducción mucho más rápido que incluso los diodos Schottky. Las características de los diodos túnel también se ven relativamente poco afectadas por los cambios de temperatura.
Los diodos túnel están fuertemente dopados tanto en las regiones P como en las N, 1000 veces más que en un diodo rectificador convencional. Esto se ha ilustrado en la siguiente figura:
En referencia a la figura anterior, se pueden observar los voltajes de ruptura inversa frente a varios niveles de concentración de dopaje para diodos estándar, diodos Zener y diodos túnel. Los diodos estándar están en el extremo izquierdo, el diodo Zener cerca de la izquierda, y los diodos túnel a la derecha de la línea discontinua.
El dopado pesado produce una región de agotamiento extrañamente delgada. Esto, a su vez, produce un voltaje de ruptura inverso inusualmente bajo con alta fuga. La delgada región de agotamiento causa alta capacitancia. Para superar esto, el área de la unión del diodo túnel debe ser minúscula.
Las características del diodo en directa constan de dos regiones: una característica normal de diodo en directa con la corriente aumentando exponencialmente más allá de VF, 0.3 V para materiales semiconductores de germanio y 0.7 V para silicio.
En referencia a la figura anterior: entre 0 y VF se encuentra un pico característico de ‘resistencia negativa’. Esta ocurrencia se debe al efecto túnel cuántico que involucra la dual naturaleza partícula-onda de los electrones.
En los diodos túnel, la región de agotamiento es lo suficientemente delgada en comparación con la longitud de onda equivalente del electrón como para que puedan atravesarla tunelando. Por lo tanto, los diodos túnel no tienen que superar el voltaje normal de avance del diodo VF.
La parte negativa de la curva se puede explicar de la siguiente manera:
El nivel de energía de la banda de conducción del material semiconductor de tipo n se superpone con el nivel de la banda de valencia en la región del semiconductor de tipo p. Con el aumento del voltaje, comienza el efecto túnel; los niveles se superponen y la corriente aumenta, hasta cierto punto. A medida que la corriente aumenta aún más, los niveles de energía se superponen menos; la corriente disminuye con el aumento del voltaje. Esta es la porción de ‘resistencia negativa’ de la curva.
Aplicaciones de los diodos túnel
Las aplicaciones del diodo túnel incluyen:
- Osciladores y amplificadores de alta frecuencia debido a su respuesta de túnel muy rápida.
- Generadores de microondas y terahercios.
- Conmutación de alta velocidad, memoria y elementos lógicos en diseños de nicho y heredados.
- Convertidores de frecuencia y mezcladores.
Tenga en cuenta que los diodos túnel no son una buena opción como diodos rectificadores, ya que tienen una corriente de fuga relativamente alta cuando están polarizados en sentido inverso. Como resultado, solo encuentran aplicación en circuitos especiales donde su efecto túnel único tiene valor.
Para aprovechar al máximo el efecto túnel, estos diodos se mantienen a un voltaje de polarización entre los niveles de voltaje pico y valle, siempre en polaridad de polarización directa (ánodo positivo y cátodo negativo).
Quizás la aplicación más común de un diodo túnel se encuentra en circuitos osciladores simples de alta frecuencia, donde permite que una fuente de voltaje de CC contribuya con energía a un circuito resonante, conduciendo el diodo cuando el voltaje a través de él alcanza el nivel pico (túnel) y aislándose efectivamente a todos los demás voltajes. Las resistencias polarizan el diodo túnel a unas pocas décimas de voltio centradas en la porción de resistencia negativa de la curva característica. El circuito resonante/LC puede ser una sección de guía de onda para operación de microondas. Es posible la oscilación hasta 5 GHz.
Ilustración de la Aplicación del Oscilador de Diodo Túnel
Un diodo túnel siempre se opera en la región de resistencia negativa. Cuando se opera en esta región, funciona muy bien en un oscilador.
Consideremos el circuito resonante que se muestra a continuación para nuestra discusión:
Note que RP es el equivalente en paralelo de la resistencia del devanado en serie de la bobina.
Cuando el circuito resonante se pone en oscilación mediante la aplicación de una tensión, como se ilustra en el circuito siguiente, se producen oscilaciones amortiguadas. Esto se debe a que se pierde energía en la resistencia RP del circuito resonante.
Si colocamos un diodo túnel en serie con el circuito resonante y polarizamos en el centro de la porción de resistencia negativa de su característica, como se muestra en el circuito a continuación, se producen oscilaciones no amortiguadas en la salida. Esto se debe a que la característica de resistencia negativa del diodo túnel contrarresta la característica de resistencia positiva del circuito resonante.
El circuito anterior se denomina oscilador de diodo túnel u oscilador de resistencia negativa.
El oscilador de resistencia negativa tiene una limitación clave: si bien el circuito funciona muy bien a frecuencias extremadamente altas (en el rango de los megahertz), no se puede usar eficientemente a bajas frecuencias. En general, los osciladores de baja frecuencia utilizan transistores.
Ventajas y limitaciones de los diodos túnel
Los diodos túnel son la opción preferida en algunas aplicaciones porque:
- Son de conmutación extremadamente rápida (es decir, por debajo de un nanosegundo) debido al efecto túnel (sin retraso de tránsito de portadores).
Los diodos túnel están limitados de varias maneras:
- Operan a voltajes muy bajos.
- Tienen potencia de salida limitada y niveles de señal pequeños.
- Enfrentan desafíos de reproducibilidad en la fabricación; han sido reemplazados en gran medida en muchos roles por dispositivos semiconductores modernos; sin embargo, aún pueden encontrarse en uso en aplicaciones especializadas de alta velocidad o microondas.
- Competencia de CMOS avanzados, HEMTs III-V, grafeno y dispositivos de THz plasmónicos y circuitos superconductores para algunos usos criogénicos. Esto hace poco probable que los diodos túnel reemplacen a los transistores convencionales.
¿Cuál es el futuro de los diodos túnel?
Los diodos de túnel (tanto los diodos de túnel resonante como variantes más nuevas como los diodos de túnel de espacio asimétrico [ASPAT] – una variante de los diodos tipo túnel/Esaki diseñados para producir rectificación o detección útil a altas frecuencias minimizando el desplazamiento de CC y mejorando la capacidad de respuesta) probablemente seguirán siendo componentes de nicho y vitales para la electrónica de ultra alta frecuencia y cuántica/criogénica, en lugar de volver a la lógica CMOS convencional.
Aquí están las razones por las que los diodos túnel llegaron para quedarse:
- Sus puntos fuertes los convierten en un reemplazo no fácil en aplicaciones específicas: los diodos túnel poseen una conmutación de túnel cuántico extremadamente rápida y una resistencia diferencial negativa intrínseca (que es útil para osciladores, mezcladores, detectores), además de su buen rendimiento a niveles de frecuencia de microondas y THz y su uso a temperaturas criogénicas para lectura cuántica.
- Existen direcciones de investigación activas para diodos túnel: heteroestructuras III-V (RTD de InGaAs/AIAs), dispositivos de espacio asimétrico (ASPAT/QASPAT) para detectores/osciladores a nivel de THz, enfoques de túnel compatibles con silicio para integración de baja potencia y codiseño de dispositivos/circuitos para mejorar el PVCR y la potencia de salida.
Las perspectivas a corto plazo, digamos 5 años, para los túneles parecen positivas, impulsadas principalmente por:
- Crecimiento en fuentes especializadas de THz, detectores y componentes analógicos ultrarrápidos para comunicaciones, sensado e imagen.
- Existe una mayor integración con la fotónica III-V y los procesos de silicio heterogéneos para funciones de nicho en chip, como la temporización.
Las perspectivas a más largo plazo (más de 10 años) para los diodos túnel también parecen buenas, ya que existe una adopción continuada en nichos para la electrónica de terahertz (THz), el control criogénico clásico/cuántico y bloques de señal mixta ultrarrápidos, donde su velocidad extrema o resistencia diferencial negativa (NDR) en sus características de corriente-voltaje son de un valor único.
Además, su uso más amplio depende de avances que eleven el PVCR (Ratio Corriente Pico-Valle) y la potencia de salida, o de cambios en las aplicaciones, por ejemplo, comunicaciones inalámbricas THz, imagen avanzada o escalado de electrónica criogénica.
Un PVCR más alto (= Ip/IV) mejora la ganancia de estabilidad del oscilador en amplificadores de resistencia diferencial negativa (NDR), el margen de conmutación en usos de lógica/memoria y la linealidad del detector; un PVCR bajo limita la potencia de salida y el rendimiento del circuito. Para aplicaciones prácticas de RTD/ASPAT, los valores de PVCR de niveles (por ejemplo, 3-10+) son muy deseables; la investigación tiene como objetivo aumentar el PVCR manteniendo un VP bajo y un IP suficiente.
Consideraciones finales
A tunnel diode is a small device, but it shows how much circuit performance can depend on choosing the right semiconductor component. In real electronic design and production, understanding how a component works is only the first step. Engineers also need to consider availability, package options, equivalent parts, long-term supply, and whether the selected component can be reliably sourced for prototype and mass production.
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Preguntas frecuentes
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John es un especialista experimentado en sistemas eléctricos, instrumentación, automatización de procesos y control industrial. Ha trabajado en la instalación de equipos, mantenimiento, pruebas de fábrica y puesta en marcha, lo que le ha proporcionado una perspectiva práctica sobre el rendimiento de los sistemas industriales en entornos operativos reales.
