Diodo láser Un diodo láser empaquetado. Atrás, una moneda de un centavo estadounidense como referencia de escala. Imagen de un chip del diodo láser contenido en el paquete mostrado en la imagen superior. Se muestra en el ojo de una aguja que sirve de referencia de escala. Un diodo láser (DL) es un dispositivo semiconductor similar a un led1 pero que bajo las condiciones adecuadas emite luz láser. Visión general Diodo láser. Símbolo de el diodo láser. Cuando un diodo convencional o led se polariza en directa, los huecos de la zona p se mueven hacia la zona n y los electrones de la zona n hacia la zona p; ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente que circula por el diodo. Si los electrones y huecos están en la misma región, pueden recombinarse cayendo el electrón al hueco y emitiendo un fotón con la energía correspondiente a la banda prohibida (véase semiconductor). Esta emisión espontánea se produce normalmente en los diodos semiconductores, pero sólo es visible en algunos de ellos (como los ledes), que tienen una disposición constructiva especial con el propósito de evitar que la radiación sea reabsorbida por el material circundante, y habitualmente una energía de la banda prohibida coincidente con la correspondiente al espectro visible; en otros diodos, la energía se libera principalmente en forma de calor, radiación infrarroja o radiación ultravioleta. En condiciones apropiadas, el electrón y el hueco pueden coexistir un breve tiempo, del orden de nanosegundos, antes de recombinarse, de forma que si un fotón con la energía apropiada pasa por casualidad por allí durante ese periodo, se producirá la emisión estimulada (véase láser), es decir, al producirse la recombinación el fotón emitido tendrá igual frecuencia, polarización y fase que el primer fotón. En los diodos láser, para favorecer la emisión estimulada y generación de luz láser, el cristal semiconductor del diodo puede tener la forma de una lámina delgada con un lado totalmente reflectante y otro sólo reflectante de forma parcial (aunque muy reflectante también), lográndose así una unión PN de grandes dimensiones con las caras exteriores perfectamente paralelas y reflectantes. Es importante aclarar que las dimensiones de la unión PN guardan una estrecha relación con la longitud de onda a emitir. Este conjunto forma una guía de onda similar a un resonador de tipo Fabry-Perot. En ella, los fotones emitidos en la dirección adecuada se reflejarán repetidamente en dichas caras reflectantes (en una totalmente y en la otra sólo parcialmente), lo que ayuda a su vez a la emisión de más fotones estimulados dentro del material semiconductor y consiguientemente a que se amplifique la luz (mientras dure el bombeo derivado de la circulación de corriente por el diodo). Parte de estos fotones saldrán del diodo láser a través de la cara parcialmente transparente (la que es sólo reflectante de forma parcial). Este proceso da lugar a que el diodo emita luz, que al ser coherente en su mayor parte (debido a la emisión estimulada), posee una gran pureza espectral. Por tanto, como la luz emitida por este tipo de diodos es de tipo láser, a estos diodos se los conoce por el mismo nombre. Características Luz sincronizada. Luz con misma frecuencia y fase. Aplicaciones Comunicaciones de datos por fibra óptica. Lectores de CD, DVD, Blu-rays, HD DVD, entre otros. Interconexiones ópticas entre circuitos integrados. Impresoras láser. Escáneres o digitalizadores. Sensores. Tratamiento con láser odontológico. Depilación corporal. Pantalla láser Odontología Oftalmología Ventajas y desventajas[editar] Ventajas[editar] Son muy eficientes. Son muy fiables. Tienen tiempos medios de vida muy largos. Son económicos. Permiten la modulación directa de la radiación emitida, pudiéndose modular a décimas de Gigahercio. Su volumen y peso son pequeños. El umbral de corriente que necesitan para funcionar es relativamente bajo. Su consumo de energía es reducido (comparado con otras fuentes de luz) El ancho de banda de su espectro de emisión es angosto (puede llegar a ser de sólo algunos kHz) Desventajas[editar] • Una baja potencia a consecuencia de las bandas de energía ocupadas por los electrones. • Una alta sensibilidad a los cambios de temperatura. • Alto calentamiento al pasar corriente sobre el material diodo. • Poca colimación en el haz obtenido. A pesar de las desventajas, el láser de semiconductores es el segundo más vendido después del láser He-Ne por sus usos en computadoras, impresoras, medios de comunicación, tratamientos médicos, etc. Una clase especial: VCSEL (Vertical cavity surface emitting laser)[editar] Los VCSEL (vertical-cavity surface-emitting lasers) son láseres de semiconductor en los que la luz se propaga perpendicularmente al plano de la región activa. Algunas de sus características más interesantes son: consumir poca potencia, poder operar en un solo modo longitudinal, emitir un haz circular que hace más fácil su acoplamiento a fibra, baja corriente umbral y fabricación barata. Por otra parte, debido a su pequeño tamaño y a su estructura vertical pueden realizarse agrupaciones bidimensionales de láseres. Se ha conseguido incluso producir en masa VCSELs de tamaño reducido, lo que los ha convertido en la fuente de luz más adecuada para los sistemas de comunicaciones a corta distancia a través de fibra óptica.2 Por otra parte, el reducido tamaño de estos lñaseres hace necesaria la existencia de espejos de alta reflectividad para poder generar la emisión láser.3 Por todas estas razones, los VCSELs son una opción atractiva en el mercado de las comunicaciones ópticas, pudiendo también ser empleados en lectores de códigos de barras, impresoras, ratones, etc. Los VCSELs también son dispositivos interesantes en el campo del procesamiento todo–óptico de señales para su uso como regeneradores e inversores todo–ópticos, dispositivos biestables (“flip–flop”) todo–ópticos y memorias ópticas. Este tipo de dispositivos se basan en el comportamiento óptico biestable, que puede conseguirse mediante la inyección óptica en láseres de semiconductor. Curva característica: Circuito de activación para diodos laser Diodo Schottky Ir a la navegaciónIr a la búsqueda Diodo Schottky Varios diodos Schottky Tipo Elemento pasivo, semiconductor Principio de funcionamiento Barrera de Schottky Invención Walter H. Schottky Símbolo electrónico Terminales Ánodo y Cátodo [editar datos en Wikidata] El diodo Schottky o diodo de barrera Schottky, llamado así en honor del físico alemán Walter H. Schottky, es un dispositivo semiconductor que proporciona conmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa (menos de 1ns en dispositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas tensiones umbral (también conocidas como tensiones de codo, aunque en inglés se refieren a ella como "knee", es decir, rodilla). La tensión de codo es la diferencia de potencial mínima necesaria para que el diodo actúe como conductor en lugar de circuito abierto; esto, dejando de lado la región Zener, que es cuando existe una diferencia de potencial lo suficientemente negativa para que a pesar de estar polarizado en inversa éste opere de forma similar a como lo haría regularmente. Funcionamiento[editar] A frecuencias bajas un diodo normal puede conmutar fácilmente cuando la polarización cambia de directa a inversa, pero a medida que aumenta la frecuencia el tiempo de conmutación puede llegar a ser muy alto, poniendo en peligro el dispositivo. El diodo Schottky está constituido por una unión metal-semiconductor (barrera de Schottky), en lugar de la unión convencional semiconductor P - semiconductor Nutilizada por los diodos normales. Así se dice que el diodo Schottky es un dispositivo semiconductor "portador mayoritario". Esto significa que, si el cuerpo semiconductor está dopado con impurezas tipo N, solamente los portadores tipo N (electrones móviles) desempeñarán un papel significativo en la operación del diodo y no se realizará la recombinación aleatoria y lenta de portadores tipo N y P que tiene lugar en los diodos rectificadores normales, con lo que la operación del dispositivo será mucho más rápida. Características[editar] Diodo Schottky 1N5822 con un corte en su encapsulado. El semiconductor en el centro forma una barrera de Schottky entre un electrodo metálico (realizando una acción rectificadora) y un contacto ohmico con el otro electrodo. La alta velocidad de conmutación permite rectificar señales de muy alta frecuencia y eliminar excesos de corriente en circuitos de alta intensidad. A diferencia de los diodos convencionales de silicio, que tienen una tensión umbral —valor de la tensión en directa a partir de la cual el diodo conduce— de 0,7 V, los diodos Schottky tienen una tensión umbral de aproximadamente 0,2 V a 0,4 V empleándose, por ejemplo, como protección de descarga de células solares con baterías de plomo ácido. La limitación más evidente del diodo de Schottky es la dificultad de conseguir resistencias inversas relativamente elevadas cuando se trabaja con altos voltajes inversos pero el diodo Schottky encuentra una gran variedad de aplicaciones en circuitos de alta velocidad para computadoras donde se necesiten grandes velocidades de conmutación y mediante su poca caída de voltaje en directo permite su operación con un reducido gasto de energía. Otra aplicación del diodo Schottky es en variadores de frecuencia (inverters) y circuitos controladores de motores paso a paso, cuando el circuito controlador efectua la desconexión de los bobinados del motor estos diodos se encargan de drenar los picos de corriente inductiva que regresan de los bobinados de un motor y devolverlos al bus de continua para que estos no quemen los transistores IGBT del chopper, destruyendo el dispositivo. Cuando el motor se comporta como generador, la corriente circula hacia el bus de continua a través de los diodos y no es absorbida por los IGBTs. El diodo Schottky se emplea en varios circuitos integrados de lógica TTL. Por ejemplo los tipos ALS y AS permiten que los tiempos de conmutación entre los transistores sean mucho menores puesto que son más superficiales y de menor tamaño por lo que se da una mejora en la relación velocidad/potencia. El tipo ALS permite mayor potencia y menor velocidad que la LS, mientras que las AL presentan el doble de velocidad que las Schottky TTL con la misma potencia. Figura 3. Curva característica. En los anexos podremos ver algunas características y curvas específicas de funcionamiento del diodo Schottky ante diferentes parámetros tales como temperatura, capacitancia, etc. Aplicaciones En fuentes de baja tensión en la cuales las caídas en los rectificadores son significativas. Circuitos de alta velocidad para computadoras donde se necesiten grandes velocidades de conmutación y mediante su poca caída de voltaje en directo permite poco gasto de energía. Variadores de alta gama para que la corriente que vuelve desde el motor al variador no pase por el transistor del freno y este no pierda sus facultades. Regulador de tensión con diodo Schottky Diodo Zener Ir a la navegaciónIr a la búsqueda Diodo Zener Pequeño diodo Zener Tipo Semiconductor Símbolo electrónico Terminales Ánodo y Cátodo (se polariza inversamente, con respecto al diodo convencional) [editar datos en Wikidata] El diodo Zener es un diodo de silicio fuertemente dopado1 que se ha construido para que funcione en las zonas de rupturas, recibe ese nombre por su inventor Clarence Melvin Zener. El diodo Zener es la parte esencial de los reguladores de tensión casi constantes con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensión de red, de la resistencia de carga y temperatura. Son mal llamados a veces diodos de avalancha, pues presentan comportamientos similares a estos, pero los mecanismos involucrados son diferentes. Además si el voltaje de la fuente es inferior a la del diodo este no puede hacer su regulación característica. Índice 1Características 2Operación 3Referencias 4Véase también 5Enlaces externos Características[editar] Si a un diodo Zener se le aplica una tensión eléctrica positiva del ánodo respecto a negativa en el cátodo (polarización directa) toma las características de un diodo rectificador básico (la mayoría de casos), pero si se le suministra tensión eléctrica positiva de cátodo a negativa en el ánodo (polarización inversa), el diodo mantendrá una tensión constante. No actúa como rectificador sino como un estabilizador de tensión En conclusión: el diodo Zener debe ser polarizado inversamente para que adopte su característica de regulador de tensión. En la siguiente figura se observa un circuito típico de su uso como regulador de tensión: Regulador de tensión utilizando diodo Zener Variando la tensión V a valores mayores que la tensión de ruptura del Zener, Vz se mantiene constante. Su símbolo es como el de un diodo normal pero tiene dos terminales a los lados. Se deberá tener presente, que el diodo Zener al igual que cualquier dispositivo electrónico, tiene limitaciones y una de ellas es la disipación de potencia, si no se toman en consideración sus parámetros, el componente se quema. Operación[editar] Un diodo de estado sólido convencional permite una corriente significativa si está polarizado en inversa por encima de su voltaje de ruptura inversa. Característica de voltaje-corriente de un diodo Zener con un voltaje de ruptura de 17 voltios. Observe el cambio de escala de voltaje entre la dirección polarizada hacia delante (positiva) y la dirección polarizada hacia atrás (negativa). Cuando se excede el voltaje de ruptura de polarización inversa, un diodo convencional está sujeto a alta corriente debido a la ruptura de avalancha. A menos que esta corriente esté limitada por la circuitería, el diodo puede dañarse permanentemente debido al sobrecalentamiento. Un diodo Zener exhibe casi las mismas propiedades, excepto que el dispositivo está especialmente diseñado para tener un voltaje de ruptura reducido, el denominado voltaje Zener. En contraste con el dispositivo convencional, un diodo Zener con polarización inversa exhibe una falla controlada y permite que la corriente mantenga el voltaje a través del diodo Zener cerca del voltaje de ruptura de Zener. Por ejemplo, un diodo con una tensión de ruptura Zener de 3.2 V presenta una caída de voltaje de casi 3.2 V en un amplio rango de corrientes inversas. El diodo Zener es por lo tanto ideal para aplicaciones tales como la generación de un voltaje de referencia (por ejemplo, para una etapa de amplificación), o como un estabilizador de voltaje para aplicaciones de baja corriente. Otro mecanismo que produce un efecto similar es el efecto de avalancha como en el diodo de avalancha. Los dos tipos de diodos se construyen de hecho de la misma manera y ambos efectos están presentes en los diodos de este tipo. En diodos de silicio de hasta aproximadamente 5,6 voltios, el efecto Zener es el efecto predominante y muestra un marcado coeficiente de temperatura negativo. Por encima de 5,6 mk voltios, el efecto de avalancha se vuelve predominante y exhibe un hp coeficiente de temperatura positivo. En un diodo de 5,6 V, los dos efectos se producen juntos, y sus coeficientes de temperatura casi se cancelan entre sí, por lo tanto, el diodo de 5,6 V es útil en aplicaciones de temperatura crítica. Una alternativa, que se utiliza para las referencias de voltaje que necesitan ser altamente estables durante largos períodos de tiempo, es usar un diodo Zener con un coeficiente de temperatura (CT) de +2 mV / ° C (voltaje de falla de 6.2-6.3 V) conectado en serie con un diodo de silicio con polarización directa (o una unión BE de transistor) fabricado en el mismo chip. Coeficiente de temperatura de la tensión Zener contra voltaje Zener nominal. El diodo con polarización directa tiene un coeficiente de temperatura de -2 mV / ° C, lo que hace que los coeficientes de temperatura se cancelen. Las técnicas de fabricación modernas han producido dispositivos con tensiones inferiores a 5,6 V con coeficientes de temperatura insignificantes, pero a medida que se encuentran dispositivos de mayor voltaje, el coeficiente de temperatura aumenta drásticamente. Un diodo de 75 V tiene 10 veces el coeficiente de un diodo de 12 V. Los diodos Zener y de avalancha, independientemente del voltaje de ruptura, se comercializan generalmente bajo el término general de "Diodo Zener". Por debajo de 5.6 V, donde domina el efecto Zener, la curva voltaje-corriente cercana a la ruptura es mucho más redondeada, lo que requiere un mayor cuidado al enfocar sus condiciones de polarización. La curva voltaje-corriente para Zeners por encima de 5,6 V (que está dominada por Avalancha), es mucho más nítida en el momento de la avería. COMPORTAMIENTO DEL DIODO ZENER Como se puede observar en la siguiente figura, el comportamiento de un diodo zener no dista de el diodo convencional. Desde el punto de vista de su comportamiento son iguales. La aplicación es que en este caso el voltaje de zener o Vz es seleccionado de manera cuidadosa. Usualmente desde las unidades hasta las decenas de volts. Lo que lo hace ideal para trabajar su comportamiento “on-off” para esta región. Figura 3: Curva de un diodo semiconductor. En azúl se representa la región en directa y en rojo la región en inversa. EJEMPLO DE DIODO ZENER En primer lugar, considere el siguiente circuito. Se tiene un divisor de voltaje o tensión con un par de resistencias. En este caso se tiene que tomar en cuenta que la resistencia R2 es la carga de un sistema. R1, por lo tanto, es la resistencia en serie o de salida de algún otro módulo. A continuación, suponga que queremos limitar o regular el voltaje de entrada de dicho sistema con un voltaje máximo (de 5V, pero puede variar dependiendo el diodo zener). Esto aplicable a casos donde el incremento de potencial pueda dañar algún circuito o sistema. Buscamos un diodo zener con el voltaje máximo deseado y lo configuramos como la siguiente figura. CALCULOS DE COMPROBACIÓN Favor de revisar que si por ejemplo, el sistema tiene una carga variable (resistencia o impedancia) es posible que el voltaje supere al del zener. Tomemos por ejemplo una resistencia en serie de 1 KOhm. Un voltaje de entrada de 12V. El voltaje máximo, o del zener es de 5V. La carga varia de 500 Ohms a 10 KOhms. Entonces consideramos las salidas si el diodo zener no estuviera puesto, que serian. Por lo tanto, la salida es mayor a 5V. Cabe señalar que en el diagrama que se muestra a continuación el diodo zener no esta conectado al circuito. Figura 4: Divisor de tensión, en donde la resistencia de carga hace las veces de R2. Se puede observar que sin el diodo zener, se sobrepasa el nivel de voltaje máximo. Al poner el diodo entre la salida del divisor y tierra, la diferencia de potencial del mismo se mantiene fija. Por lo tanto, cuando la salida del voltaje es mayor al Vz, entonces la salida es Vz. En este caso 5V. Figura 5: Con un diodo en un divisor, la tensión se regula al voltaje del diodo. Lo primero, antes de explicar el diodo zener y para los que todavía no lo saben, vamos a explicar que es un diodo. Un diodo es un componente electrónico (semiconductor) que permite el paso de la corriente "solo en un sentido". Veamos el diodo real y su símbolo. Como vemos para que la corriente pase a través de diodo debe conectarse el ánodo al positivo y el cátodo al negativo. Cuando el diodo permite el paso de la corriente decimos que está polarizado directamente. Si está conectado de forma que la corriente no pasa por él decimos que está polarizado inversamente. Veamos que ocurre cuando conectamos un diodo con una lámpara en serie. No vamos hablar más del diodo, si quieres saber más te recomendamos este enlace: Diodo. Ahora vamos a conocer al Diodo Zener. ¿Qué es un Diodo Zener? Los diodos zener, zener diodo o simplemente zener, son diodos que están diseñados para mantener unvoltaje constante en su terminales, llamado Voltaje o Tensión Zener (Vz) cuando se polarizan inversamente, es decir cuando está el cátodo con una tensión positiva y el ánodo negativa. Un zener en conexión con polarización inversa siempre tiene lamisma tensión en sus extremos (tensión zener). Aquí tienes la imagen de un diodo zener real: Como Funciona un Diodo Zener Cuando lo polarizamos inversamente y llegamos a Vz el diodo conduce y mantiene la tensión Vz constante aunque nosotros sigamos aumentando la tensión en el circuito. La corriente que pasa por el diodo zener en estas condiciones se llama corriente inversa (Iz). Se llama zona de ruptura por encima de Vz. Antes de llegar a Vz el diodo zener NO Conduce. Como ves es un regulador de voltaje o tensión. Fijate en la gráfica de funcionamiento del zener más abajo. Cuando está polarizado directamente el zener se comporta como un diodo normal. Pero OJO mientras la tensión inversa sea inferior a la tensión zener, el diodo no conduce, solo conseguiremos tener la tensión constante Vz, cuando esté conectado a una tensión igual a Vz o mayor. Aquí puedes ver una la curva característica de un zener: Para el zener de la curva vemos que se activaría para una Vz de 5V (zona de ruptura), lógicamente polarizado inversamente, por eso es negativa. En la curva de la derecha vemos que sería conectado directamente, y conduce siempre, como un diodo normal. Este diodo se llamaría diodo zener de 5V, pero podría ser un diodo zener de 12V, etc. Sus dos características más importantes son su Tensión Zener y la máxima Potencia que pueden disipar = Pz (potencia zener). La relación entre Vz y Pz nos determinará la máxima corriente inversa, llamada Izmáx. OJO si sobrepasamos esta corriente inversa máxima el diodo zener puede quemarse, ya que no será capaz de disipar tanta potencia. Un ejemplo: Tenemos un diodo zener de 5,1V y 0,5w. ¿cual será la máxima corriente inversa que soportará? Recordamos P = V x I; I = P/V. En nuestro caso Izmáx = Pz/Vz = 0,5/5,1 = 0,098A. Para evitar que nunca pasemos de la corriente inversa máxima, los diodos zener se conectan siempre con una resistencia en serie que llamamos "Resistencia de Drenaje". Vamos a ver como sería la conexión básica de un diodo zener en un circuito: La Rs (resistencia en serie con el zener) sería la resistencia de drenaje que sirve para limitar el flujo de corriente por el zener y la Rl es la Carga a elemento de salida que va a tener la tensión zener constante por estar en paralelo con el diodo zener. ¿Te das cuenta que la conexión es inversa?. Así se conectan siempre el zener diodo. En el circuito anterior la tensión de salida se mantendrá constante, siempre que sea superior a la Vz, y además será independiente de la tensión de entrada Vs. Esto nos asegura que la carga siempre estará a la misma tensión. Si aumentamos por encima de Vz la tensión de entrada Vs a la salida tendremos siempre la tensión constante igual a Vz. La Rs absorbe la diferencia de tensión entre la entrada y la salida. ¿Cómo se calcula la Rs? Rs = (Vs- Vo)/ (Il + Iz) Siendo Vs la tensión de entrada del regulador, Vo la tensión de salida, que será igual a Vz, Il es la intensidad de carga máxima e Iz la intensidad o corriente a través del diodo zener. Esta última se escoge siempre de un valor del 10% o del 20% de la corriente máxima. ¿Para qué sirve un diodo Zener? estos diodos se utilizan como reguladores de tensión o voltaje para determinadas tensiones y resistencias de carga. Con un zener podemos conseguir que a un componente (por ejemplo un altavoz) siempre le llegue la misma tensión de forma bastante exacta. Otro uso del zener es como elemento de protección de un circuito para que nunca le sobrepase una determinada tensión a la carga del circuito. OJO los zener deben diseñarse para que sean capaces de soportar la potencia de la carga, de otra forma podrían llegar a bloquearse o incluso quemarse.
