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EL DETECTOR A DIODO

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1______________________________ INTRODUCCION

El Detector a Diodo de juntura es un elemento muy útil como indicador de potencia en radiofrecuencia, además de otros usos tales como demodulador de señales de amplitud modulada. La simplicidad de los circuitos de aplicación, su bajo costo, su funcionamiento adecuado, su respuesta de banda ancha, etc. lo hacen prácticamente irreemplazable en muchas aplicaciones. El detector a diodo es capaz de detectar señales de una potencia tan pequeña como -70 [dBm] y su rango dinámico es de 100 [dB] ó mayor. Su uso cubre todo el espectro radioeléctrico, desde las audio frecuencias hasta los cientos de gigahertzios. Esta presentación no estaría completa sin comentar que muchos experimentadores no consideran seriamente al detector a diodo de juntura para medir potencia en radiofrecuencia. Esta situación se justifica por el comportamiento poco confiable del diodo de contacto puntual que era utilizado en los anteriores detectores a diodo. Los modernos diodos de juntura metal-semiconductor han cambiado esta situación. La pobre comprensión de las nolinealidades que presentan estos tipos de detectores han sido también un escollo en su uso. El uso de computadoras y técnicas numéricas de linealización hacen que este problema haya sido ampliamente superado. Una vez que se han comprendido las limitaciones del detector a diodo de juntura y se ha aprendido a manejarlas, su uso a aumentado considerablemente y continúa aumentando. La teoría de funcionamiento del detector a diodo es conocida desde hace mucho tiempo. Sin embargo el detector a diodo de juntura es tan simple lo convierte en algo que “todos deberían conocer”, y por lo tanto cualquier referencia actual es inexistente.

2 INTRODUCCION

Este trabajo pretende exponer la teoría de funcionamiento del detector diodo y la terminología asociada al mismo, tratando de explicar términos tales como: “detector cuadrático”, “detector lineal”, “polarización cero”, “resistencia de video”, “sensibilidad de tensión”, sensibilidad de corriente”, “sensibilidad tangencial”, etc.. En lo que sigue se supone que el diodo empleado es un diodo de juntura metal-silicio o diodo Schottky, sin embargo todo lo que se diga es aplicable a otros diodos, tales como el diodo semiconductor de juntura P-N, el diodo de juntura metal-Ga/As y diodos que operan con otros principios de funcionamiento como el diodo tunnel o backward (con algunas reservas). De todas maneras, por encima de algunos cientos de MHz, la velocidad de respuesta del diodo metal-semiconductor (incluyendo los diodos de contacto puntual) los convierten en la elección obligada. En el Capítulo 2 se revisa la teoría del diodo de juntura, enfatizando aquellos aspectos importantes para el detector a diodo. En el Capítulo 3 se estudia el Detector Cuadrático. Aquí aparecen la mayoría de los conceptos aplicables al detector a diodo. El Capítulo 4 se analiza el Detector lineal, a veces llamado Detector de Pico. En el Capítulo 5 aparecen las limitaciones inherentes al detector a diodo, tales como las nolinealidades, la respuesta en frecuencia y el ruido. Finalmente, en el Capítulo 6, se muestran algunos circuitos de aplicación, tanto de detectores a diodo de juntura como de circuitos auxiliares. Para comprender el texto, aparte de conocimientos básicos de Electrónica, hace falta tener nociones de Cálculo. Alguna idea previa de Ruido también será de utilidad. De todas maneras se recomienda abundante bibliografía donde el lector interesado podrá completar sus conocimientos.

EL DETECTOR A DIODO

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2______________________________ EL DIODO DE JUNTURA

2.1 LA JUNTURA P-N El diodo de juntura ha sido descripto en numerosas publicaciones [2.1]. En este capítulo revisaremos los aspectos más importantes relacionados con el detector a diodo. Cuando dos semiconductores, uno de tipo P y el otro de tipo N, se ponen en contacto la juntura exhibe características rectificadoras, esto es la circulación de corriente depende del sentido de la misma. En un diodo ideal la relación entre la tensión y la corriente tienen la siguiente forma: VJ

IJ

I S e VT

1

(2.1)

Hemos reservado los símbolos IJ y VJ para la corriente y la tensión sobre el diodo ideal ó “intrínseco” para diferenciarlos de la corriente y la tensión sobre el diodo real. El subíndice J indica “la juntura” y es común referirse a la corriente y a la tensión sobre la juntura. El símbolo VT está relacionado con la energía térmica de los portadores y tiene la forma:

VT

kT q

(2.2)

Donde k es la constante de Boltzman (k=1.38x10-23J/K), T es la temperatura del diodo en kelvins y q es la carga del electrón [ q=1.602x10-19 coulombios].

4 LA JUNTURA P-N

A la temperatura ambiente (T=300K), VT es aproximadamente igual a 26[mV]. El símbolo IS es la corriente de saturación inversa del diodo y tiene la expresión: Vg

IS

2

AT e

VT

(2.3)

donde A es una constante y Vg es conocida como la “barrera de potencial”, qVg es la energía necesaria para romper un enlace covalente en el semiconductor. Vg es aproximadamente 1.1[V] para el silicio y 0.75[V] para el germanio. En la figura 2.1 se muestra la relación tensión-corriente para diodos de silicio y de germanio. 100 90 80 70

SILICIO

GERMANIO

IJ 60 [A] 50 I

40 30 20 10 0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

VJ [V]

Figura 2.1 La corriente inversa del diodo no se muestra ya que esta es despreciable frente a la corriente directa. Como se puede ver en esta figura, es necesario que la polarización directa del diodo sea de algunas centésimas de voltio para que la corriente tome un valor significativo. Este voltaje V denomina “voltaje de corte”. Por ejemplo, supongamos que un diodo de silicio tiene una corriente de saturación inversa de 1[pA]. La tensión directa V necesaria para que circule 1[mA] es:

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V

VT ln

IJ

IS

0.026 ln(1e9)

IS

0.54[V ]

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(2.4)

Un diodo equivalente de germanio tendría una corriente de saturación inversa del orden del microampere debido a la diferencia en la barrera de potencial y el voltaje de corte sería:

V

VT ln

IJ

IS

0.026 ln(1e3)

IS

0.18[V ]

(2.5)

Cuando se diseña un detector estas diferencias en el voltaje de corte son muy importantes. Dado que IS y VT dependen de la temperatura es natural encontrar que el voltaje de corte dependa también de la temperatura. Experimentalmente se encuentra que la variación de la corriente de saturación inversa con la temperatura es del orden del 7% por cada kelvin, tanto para el silicio como para el germanio. Como:

1.07

10

2

(2.6)

se concluye que la corriente de saturación inversa se dobla cada 10[K]. Con respecto al voltaje de corte tenemos que:

V

VT ln

IJ

IS

(2.7)

IS

La derivada de V con respecto a la temperatura es:

dV J dT

VJ 1 dI S VT T I S dT

VJ

Vg T

(2.8)

Reemplazando los valores calculados del voltaje de corte y los valores de la barrera de potencial, resulta que tanto para el silicio como para el germanio, la variación del voltaje de corte es de alrededor de -1.9[mV/K] a temperatura ambiente (300[K]).

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EL DIODO DE JUNTURA

2.2 LA CAPACIDAD DE TRANSICION Cuando el semiconductor P es positivo con respecto al semiconductor N, el diodo conduce fuertemente y se dice que el diodo está en “directa”. Por el contrario si el semiconductor P es negativo con respecto al semiconductor N, entonces el diodo conduce débilmente y se dice que el diodo está en “inversa”. Cuando el diodo está polarizado en inversa, la región P del diodo está polarizada negativamente con respecto a la región N y circula solamente la corriente de saturación inversa formada por portadores generados como resultado de la agitación térmica. En la región P los portadores mayoritarios (las lagunas) son alejados de la juntura por el campo aplicado. Lo mismo sucede en la región N con sus portadores mayoritarios, los electrones. En la región P los portadores minoritarios, electrones, que se encuentran cerca de la juntura difunden hacia la región N donde son alejados de la juntura por el campo aplicado. Lo mismo sucede en la región N con las lagunas que difunden hacia la región P. Este movimiento de cargas constituye la corriente de saturación inversa IS. Como resultado de esta reubicación de cargas, la zona de la juntura queda vacía de portadores libres y es por lo tanto aisladora. Tenemos así los componentes que forman un capacitor: los dos conductores (las regiones N y P alejadas de la juntura) y el aislador entre ellos (la zona de la juntura vacía de portadores o intrínseca). Esta capacidad es conocida como “capacidad de la juntura” o “capacidad de transición”. El ancho de la zona vacía de portadores depende de la tensión inversa aplicada y por lo tanto la capacidad de transición varía con el voltaje aplicado. Una expresión para dicha capacidad es la siguiente:

CT

C J0

(2.9)

VJ 1 VJ 0 Las constantes CJ0, VJ0 y dependen del perfil de contaminación del diodo cerca de la juntura y en general son determinados experimentalmente. Para un diodo destinado a servir como detector CJ0 es del orden del pico Faradio o menor. La nolinealidad de la capacidad es suave, así cuando la tensión continua y las variaciones de la tensión sobre el diodo son pequeñas, se puede emplear CJ0 en lugar de CT sin cometer errores importantes. Por el contrario si las variaciones de tensión sobre el diodo son grandes, lo cual necesariamente implica una tensión media negativa, entonces se puede promediar la

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capacidad de transición sobre el rango de tensiones aplicadas. Esta capacidad promedio es menor que CJ0.

2.3 LA CAPACIDAD DE DIFUSION En el párrafo anterior vimos que con el diodo polarizado en inversa, los portadores minoritarios disminuían en las cercanías de la juntura. En polarización directa la región P inyecta lagunas en la región N donde estas son minoritarias. De manera similar la región N inyecta electrones en la región P. Como resultado, en conducción, cerca de la juntura hay exceso de portadores minoritarios. Si la polarización del diodo es cambiada rápidamente a inversa, estos portadores minoritarios no pueden retornar a las regiones de origen y circulan por el circuito externo. La situación es equivalente a un capacitor que se carga con el voltaje directo del diodo y que inyecta estas cargas al circuito cuando varía el voltaje aplicado. Esta capacidad equivalente se denomina “capacidad de difusión del diodo” y se la nota habitualmente con CD. El exceso de portadores minoritarios inyectado aumenta con la corriente directa del diodo y por lo tanto la capacidad de difusión varia con la corriente aplicada.

2.4 LA CARACTERISTICA INVERSA DEL DIODO De la ecuación 2.1 es fácil ver que con algunas decenas de milivoltios de polarización inversa la corriente en el diodo es -IS. Esto es aproximadamente cierto hasta cierto voltaje inverso donde la corriente inversa aumenta rápidamente. Este voltaje es llamado “voltaje de avalancha” ó “voltaje de zener”, según sea el mecanismo que produce el fenómeno. En los diodos empleados como detectores puede ser de algunos voltios. Este comportamiento limita las tensiones máximas aplicables al detector. La amplitud de la tensión de entrada no debe superar estos voltajes ya que el detector no es usable en estas condiciones y puede destruirse

2.5 UN MODELO EQUIVALENTE DEL DIODO DE JUNTURA En un diodo real, además del diodo ideal, que se puede considerar como una resistencia no lineal RJ que cumple con la ecuación 1.1, y las capacidades de transición y de difusión (CJ=CT+CD), tenemos que considerar los componentes parásitos del diodo. Como mínimo tenemos aceptar que los conductores de conexión tienen resistencia RS e inductancia LS. También las regiones P y N del diodo, alejadas de la juntura, contribuyen con resistencia e inductacia, Dependiendo del encapsulado del diodo se agrega además capacidad CC. Un circuito equivalente adecuado para el diodo de juntura se

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EL DIODO DE JUNTURA

muestra en la figura 2.2. La resistencia serie RS es nolineal, pero su valor es generalmente pequeña y su nolinealidad es suave, por lo normalmente se la puede considerar constante. Ya hemos visto que la capacidad de juntura también es nolineal. Sin embargo es habitual considerarla constante para simplificar el tratamiento del circuito. Como resultado se puede considerar que el circuito equivalente del diodo real tiene una sola nolinealidad, la resistencia de juntura y todos los demás componentes son lineales ó no dependientes de la tensión ó la corriente. Cc

Id

+Vd

Ls VCC_ARROW

Rs

Rj +Vj

-Vd Ij

-Vj VCC_ARROW

Cj

Figura 2.2

2.6 EL DIODO METAL SEMICONDUCTOR Hasta ahora hemos considerado diodos formados por la unión de un material semiconductor tipo N con uno de tipo P. Un diodo puede también ser formado por la unión de un semiconductor y un metal. También pueden ser usadas aleaciones metálicas y compuestos intermetálicos. Tales diodos tienen ventajas con respecto a la velocidad de operación. La característica tensión-corriente de los diodos metalsemiconductor es completamente similar a la de un diodo P-N. En el diodo metal-semiconductor, sin embargo, el voltaje al cual el punto de quiebre del diodo ocurre es controlable seleccionando el metal usado. Dicho esto en otras palabras, uno puede seleccionar hasta cierto punto la barrera de potencial. De acuerdo con esto, existen diodos de siliciometal que exhiben una característica similar a la de un diodo de juntura P-N de germanio, con un voltaje de corte V de alrrededor de 0.2 voltios. Otros diodos de silicio-metal con un V de 0.5 voltios están disponibles y son más parecidos a un diodo de silicio de juntura P-N. En la tabla 2.1 se muestran los potenciales de barrera para distintas junturas metal-semiconductor.

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METAL ORO CROMO MOLIBDENO NIQUEL PALADIO PLATINO TITANIO TUNGSTENO

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SEMICONDUCTOR SILICIO TIPO N SILICIO TIPO P ALTURA DE BARRERA [V] O.81 0.34 0.55 0.52 0.60 0.42 0.55 0.51 0.72 0.35 0.85 0.28 0.48 0.61 0.69 0.45

Tabla 2.1 En un diodo que esta formado por un material semiconductor tipo N y un metal, la conducción directa ocurre cuando el metal se polariza positivamente con respecto al semiconductor. La corriente que fluye a través de la juntura está formada por electrones que parten desde el semiconductor hacia el metal, y por lo tanto es una corriente de portadores mayoritarios. La corriente en la dirección contraria es restringida por la existencia en la juntura de una barrera de potencial que se opone a dicho flujo. Los electrones que han cruzado la juntura para entrar en el metal no se pueden distinguir de los muy abundantes electrones del metal y que constituyen los electrones de conducción del mismo. Por lo tanto, cuando el voltaje a través de la juntura es invertido, esos electrones no retornan a través de la juntura y se confunden con los electrones de conducción. Así, contrariamente a lo que ocurre en la juntura P-N, no hay almacenamiento apreciable de portadores minoritarios y el tiempo de almacenamiento es despreciable, excepto para corrientes directas muy grandes. El tiempo de recuperación inversa de un diodo P-N muy rápido puede ser del orden de 1 nano segundo, mientras que el de un diodo metal-semiconductor puede ser de alguna decenas de pico segundos. Como consecuencia, en un diodo de juntura metal-semiconductor, la capacidad de difusión es prácticamente despreciable. El circuito equivalente de un diodo metalsemiconductor es idéntico al de un diodo de juntura P-N con la capacidad de difusión igual a cero. Valores típicos para los compomentes del modelo circuital del diodo Schottky, modelo BAT63 de la firma Siemens se muestran en la tabla 2.2.

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EL DIODO DE JUNTURA

CJ0 CC LS RS IS

0.65 [pF] 0.10 [pF] 2.00 [nH] 1.70 [ ] 0.7[ A] Tabla 2.2

Se pueden conseguir diodos no encapsulados con valores menores de los elementos parásitos y de la capacidad de juntura. Cuando un diodo metal-semiconductor es polarizado en directa, los electrones al cruzar la juntura para entrar al metal caen por la barrera de potencial. Por lo tanto inicialmente y hasta que esos electrones alcanzan el equilibrio con los electrones del metal, los electrones inyectados tienen mayor velocidad y energía. La temperatura asociada con esta mayor energía es superior a la de los electrones del metal. Por lo tanto a los electrones inyectados se los llama “electrones calientes” y el diodo metal-semiconductor se conoce como “diodo de portadores calientes”. Estos diodos también se denominan “diodos Schottky” debido a que W. Schottky los describió por primera vez en 1938 [2.2]. Es interesante señalar que los diodos metal-semiconductor se han empleado como detectores desde por los menos 1874 [2.3] y que hasta que Shockley [2.4] describe por primera ve el diodo de juntura P-N, fueron los únicos diodos de estado sólido conocidos. No se pueden dejar de mencionar el ancestral detector de galena (sulfuro de plomo natural) con el que se construían los primeros receptores de radio y los diodos de silicio de contacto puntual empleado intensivamente durante el desarrollo del radar. Es posible construir diodos de electrones calientes usando silicio de tipo N y diodos de lagunas calientes usando silicio de tipo P. Los diodos de electrones calientes son generalmente preferidos debido a la mayor movilidad de los electrones con respecto a las lagunas, aunque algunos diodos de barrera baja emplean silicio tipo P. En la figura 2.3 se muestra la construcción típica de un diodo metalsemiconductor.

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Figura 2.3 La capa de silicio N+ provee un contacto de baja resistencia, la capa epitaxial brinda la resistividad necesaria para el correcto funcionamiento del diodo y el dióxido de silicio delimita el área de la juntura. Esta construcción es mucha más robusta y estable que la de los antiguos diodos de contacto puntual.

2.7 LA CONDUCTANCIA DEL DIODO DE JUNTURA Ya hemos visto que el diodo de juntura es altamente no lineal. Sin embargo si la variaciones de tensión sobre el diodo intrínseco son pequeñas, en términos de VT, es posible definir una conductancia incremental de la juntura. Para ello derivemos la corriente de juntura con respecto a la tensión aplicada sobre la misma.

g

dIJ dV J

IS e

VJ VT

1 VT

IJ VT

IS

(2.10)

Donde g es la conductancia incremental de la juntura. Si la corriente continua sobre el diodo es nula, entonces podemos escribir:

g0

dI J dV J

IS IJ 0

VT

(2.11)

Aquí g0 es la conductancia incremental de la juntura con polarización cero.

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EL DIODO DE JUNTURA

Con respecto a los detectores a diodo de juntura, a la inversa de la conductancia de la juntura se la llama “Resistencia de Video”, RV=1/g.

2.8 RUIDO EN EL DIODO DE JUNTURA Se ha demostrado [2.5] que en el diodo (intrínseco) de juntura como en cualquier otro dispositivo por el cual circulan portado...