I. Introduccin

En la actualidad existe un gran nmeros de dispositivos electrnicos que, permiten al ser humano mejorar su quehacer diario, uno de estos es el diodo, pero dentro de esta gran gama de diodos existe uno en particular que es el diodo Varactor el cual es un diodo conocido como diodo de capacidad variable o varactor, que se comporta frente a variaciones de la tensin aplicada, como un capacitor[footnoteRef:1] (o condensador) variable. Polarizado en inversa, este dispositivo electrnico presenta caractersticas que son de suma utilidad en circuitos sintonizados (L-C), donde son necesarios los cambios de capacidad. [1: Anexo 1]

Este diodo fue un invento que realizaron Sanford Barnes, Sherman Oaks y John Mann en 1958 trabajando para Pacific Semiconductors (PSI) en California. En el cual permitieron aprovechar los cambios de capacidad elctrica en funcin de la tensin aplicada a un diodo, siendo este el primer trabajo en conseguir un mtodo estable de fabricacin y repetividad en los dispositivos.El diodo Varactor basa su funcionamiento en el fenmeno que hace que la anchura de la barrera de potencial en una unin P-N [footnoteRef:2]vare en funcin de la tensin inversa aplicada entre sus extremos. Si aumentamos la tensin, aumenta la anchura de la barrera, haciendo que disminuya la capacidad del diodo. Haciendo esto obtenemos un condensador variable controlado por tensin. [2: Anexo 1]

Por otra parte, la aplicacin de estos diodos se encuentra, sobre todo, en la sintona de TV, modulacin de frecuencia en transmisiones de FM y radio y en los osciladores controlados por voltaje (oscilador controlado por tensin).

II. Objetivos

A. Objetivos Generales.

Analizar las caractersticas principales del diodo Varactor.

B. Objetivos Especficos.

Analizar el fundamento fsico y el modelo matemtico del diodo Varactor. Analizar el diodo Varactor aplicado en un circuito.

III. Resea histrica

Los primeros diodos eran vlvulas o tubos de vaco, tambin llamados vlvulas termoinicas constituidas por dos electrodos rodeados de vaco en un tubo de cristal, con un aspecto similar al de las lmparas incandescentes. El invento fue desarrollado en 1904 por John Ambrose Fleming, empleado de la empresa Marconi, basndose en observaciones realizadas por Thomas Alva Edison.El diodo Varicap fue un invento que realizaron Sanford Barnes, Sherman Oaks y John Mann en 1958 trabajando para Pacific Semiconductors (PSI) en California. Ya se conocan los fenmenos fsicos que permitan aprovechar los cambios de capacidad elctrica en funcin de la tensin aplicada a un diodo, pero el primer trabajo en conseguir un mtodo estable de fabricacin y repetividad en los dispositivos fue el creado por Sanford Barners, Sherman Oaks y Jhon Mann.La utilizacin ms solicitada para este tipo de diodos es la de sustituir los sistemas mecnicos de capacitador variable en etapas de sintona en todo tipo de equipos de emisin y recepcin, como pude ser en la sintona de televisin, modulacin de frecuencia en transmisin de FM, radio y en los osciladores controlados por voltaje.

IV. Marco Terico:

A. Fundamentos fsicos

Definicin de Diodo

En primera instancia, un diodo es un componente electrnico de dos terminales que permite la circulacin de corriente en un solo sentido.Ilustracin 1. Simbologa Diodo

El diodo puede funcionar de dos maneras diferentes: La primera en polarizacin directa, es decir, la corriente circula en sentido directo del nodo A al ctodo K. en este caso la corriente atraviesa el diodo con mucha facilidad comportndose prcticamente como un corto circuito, por lo cual el diodo conduce la corriente. Ilustracin 2. Polarizacin Directa

La segunda, la corriente recorre el diodo en sentido inverso de ctodo a nodo, es decir polarizacin inversa, la corriente no atraviesa el diodo y se comporta prcticamente como un circuito abierto, el diodo est bloqueado. Ilustracin 3. Polarizacin Inversa

En un caso ideal el diodo se comporta como cortocircuito en polarizacin directa y como un circuito abierto en polarizacin inversa.

Existe una gran variedades de diodos los cuales cumplen un sin nmeros de funciones, para este caso se referir especficamente al Diodo de Capacidad Variable o Varactor o tambin conocido como Diodo Varicap. El diodo Varactor es un diodo que aprovecha determinadas tcnicas constructivas para comportarse, ante variaciones de la tensin aplicada, como un capacitor (o condensador) variable. Polarizado en inversa, este dispositivo electrnico presenta caractersticas que son de suma utilidad en circuitos sintonizados (L-C), donde son necesarios los cambios de capacidad. Ilustracin 4.Simbologa Diodo Varactor

El diodo de capacitancia variable basa su funcionamiento en el fenmeno que hace que la anchura de la barrera de potencial en una unin P-N vare en funcin de la tensin inversa aplicada entre sus extremos. Si aumentamos la tensin, aumenta la anchura de la barrera, haciendo que disminuya la capacidad del diodo. Haciendo esto obtenemos un condensador variable controlado por tensin.

Es decir, todos los diodos poseen cierta capacitancia en el mismo punto de unin P-N. En el caso de los diodos varactor estos permiten que su capacitancia vare a medida que la tensin que se les aplica en polarizacin inversa se incrementa. Esta caracterstica se explota para utilizarlos en sustitucin de los tradicionales condensadores variables del tipo mecnico.El comportamiento de estos diodos depende de la formacin, en la zona de unin, de dos capas de cargas elctricas que se pueden asimilar a las paredes de un condensador.Estas capas estn separadas por una zona D desprovista de cargas elctricas, por lo que se comporta como un aislante, de manera totalmente anloga al dielctrico de un condensador.Al polarizar en forma inversa el diodo, es decir el positivo sobre el ctodo y el negativo aplicado a su nodo, no puede circula corriente por este. Esta polarizacin inversa es la que produce las zonas aislantes entre los dos electrodos del varactor.

B. Modelo Matemtico.

Su modo de operacin depende de la capacitancia que existe en la unin P-N cuando el elemento se polariza de forma inversa. Bajo condiciones de polarizacin inversa, se estableci que existe una regin de carga no cubierta sobre ambos lados de la unin, que junto con las regiones forman la regin de agotamiento y define el ancho del agotamiento Wd. La capacitancia de transicin (CT) establecida por las cargas aisladas no cubiertas est determinada por:

Donde es la permitividad de los materiales semiconductores, A es el rea de la unin P-N y Wd es el ancho de agotamiento.

Conforme el potencial de polarizacin inversa se incrementa, el ancho de la regin de agotamiento se incrementa, lo que a su vez reduce la capacitancia de transicin. En la siguiente figura se presenta las caractersticas de un diodo Varicap tpico.

Ilustracin 5. Caractersticas del Varicap: C(pF) en funcin de VR

Observe el declive agudo inicial en CT con el incremento en la polarizacin inversa. En trminos de la polarizacin inversa[footnoteRef:3] aplicada, la capacitancia de transicin est dada de forma aproximada por [3: Anexo 1]

Dnde: K = constante determinada por el material semiconductor y la tcnica de fabricacin.VT= potencial en punto de inflexinVR= magnitud del potencial de polarizacin inversa aplicado. n = para uniones de aleacin y 1/3 para uniones de difusin.

En trminos de la capacitancia en la condicin de cero polarizacin C(0), la capacitancia como una funcin de VR est dada por

Ilustracin 6. Curvas caractersticas para un diodo varactor de VHF/FMLa mayora de las cantidades se explican por s mismas, pero, el coeficiente de temperatura de capacitancia est definido por:

Donde C es el cambio en la capacitancia debido al cambio de temperatura T1-T0, y C0 es la capacitancia a T0 para un potencial particular de polarizacin inversa. Por ejemplo:Si C0=29pF con VR = 3 V y T0 = 25C. Un cambio en la capacitancia C se podra entonces determinar mediante la ecuacin anterior, simplemente al sustituir la nueva temperatura T1 y el TC1 como lo determina la grfica (=0,0013). Para un VR nuevo, el valor de TCC cambiara en consecuencia.

Algunas de las reas de aplicacin de alta frecuencia (segn la definen los bajos niveles de capacitancia) incluyen moduladores FM, dispositivos de control automticos de frecuencia, filtros pasabandas ajustables y amplificadores paramtricos. En el siguiente esquema se puede apreciar la relacin entre la variacin de la capacidad en funcin de la magnitud de la tensin inversa aplicada sobre sus terminales. Es as como con una tensin inversa de 1.5 V la zona D es estrecha, pero con la tensin inversa ms elevada, de 2,5 V la zona D es mayor. Esto significa que la capacidad del varactor es mayor con tensiones inversas bajas que con tensiones inversas altas. Este fenmeno es parecido a lo que ocurre en un condensador variable cuya capacidad es mayor cuando las lminas mviles estn encaradas completamente con las caras mviles y es menor en el caso contrario.

V. Caso aplicado a un circuito:

A. Descripcin del funcionamiento del circuito.

Un oscilador un sistema capaz de crear perturbaciones o cambios peridicos en un medio, ya sea un medio material, sonido, o un campo electromagntico, ondas de radio, microondas, infrarrojo, luz visible, rayos X, rayos gamma, rayos csmicos. En electrnica un oscilador es un circuito que es capaz de convertir la corriente continua en una corriente que vara de forma peridica en el tiempo.Un diodo varactor puede conectarse de diversas maneras para que afecte a un circuito resonante. Por esta razn, un modulador por diodo varactor es uno de los sistemas ms sencillos de generar una seal de FM. Un diodo varactor proporciona la capacidad total al circuito tanque de un oscilador.

Para observar la lgica del funcionamiento del diodo varactor se utilizara el siguiente diagrama.

Una seal de audio frecuencia que se aplica a la entrada sufre las siguientes variaciones:En el ciclo de alternancia positiva, el rea de polarizacin inversa del diodo incrementa, y el ancho del dielctrico o regin de descarga aumenta, esto disminuye la capacitancia general del circuito tanque, lo cual incrementa la frecuencia del oscilador. En el ciclo de alternancia negativa, la polarizacin inversa disminuye, resultando en una disminucin de la frecuencia del oscilador.Si consideraremos una seal de audio, la cual se inyecta al sistema como un voltaje a la base del transistor R1. Esto causa un voltaje variable a travs de la resistencia R1, y como el inductor L1 tambin est en corte para audio-frecuencias, se crea un voltaje variable a travs del diodo varactor.Esta variacin de voltaje inverso, causa que la capacitancia del varactor vare, lo cual a su vez vara la capacitancia promedio vista por el oscilador, y por ende, la frecuencia de operacin del mismo.Este oscilador genera una salida sinusoidal de radio-frecuencia, cuya frecuencia exacta se determina por la inductancia y la capacitancia del circuito sintonizado.As, vemos que modulando el voltaje en la base del transistor con una seal de audio, la frecuencia de salida del oscilador puede ser variada. El resultado es la modulacin en frecuencia.

Otro ejemplo en un circuito en presencia de un diodo varactor:

Es imposible para mostrar todos los circuitos en las que pueden utilizarse diodos Varactor / Varicap. Sin embargo, vale la pena proporcionar un ejemplo para mostrar cmo se pueden utilizar estos diodos en un circuito tpico. Efectivamente un condensador se reemplaza con el diodo varactor, pero es necesario para asegurar tambin que la tensin de sintona, es decir, el voltaje utilizado para establecer la capacitancia del diodo se puede insertar en el circuito, y que no hay tensiones tales como tensiones de polarizacin del propio circuito puede afectar el diodo varactor. Dentro de este circuito de D1 es el diodo varactor que se utiliza para permitir que el oscilador pueda ser sintonizado. C1 impide la polarizacin inversa para el varactor o diodo Varicap el cual est en cortocircuito a tierra a travs del inductor, y R1 es una resistencia aislada a travs del cual se aplica la tensin de sintonizacin del diodo Varactor.B. Anlisis de los circuitos.

El diodo de capacidad variable o Varactor (Varicap) es un tipo de diodo que basa su funcionamiento en el fenmeno que hace que la anchura de la barrera de potencial en una unin PN vare en funcin de la tensin inversa aplicada entre sus extremos. Al aumentar dicha tensin, aumenta la anchura de esa barrera, disminuyendo as la capacidad del diodo. De este modo se obtiene un condensado variable controlado por tensin. Los valores de capacidad obtenidos van desde 1 a 500 pF. La tensin inversa mnima tiene que ser de 1 V.Por lo tanto, entendiendo el funcionamiento que posee un circuito en el cual est presente el diodo Varicap, se comprende que cuando se acta por ejemplo, en la sintona de un viejo receptor de radio se est variando (mecnicamente) el eje del condensador variable que incorpora ste en su etapa de sintona; pero si, por el contrario, se acta sobre la ruedecilla o, ms comnmente, sobre el botn (pulsador) de sintona del receptor de TV a color lo que se est haciendo es variar la tensin de polarizacin inversa de un diodo Varicap contenido en el mdulo sintonizador del equipo.VI. Conclusin

Las investigaciones en busca de mejoras, tanto en las propiedades como, sobre todo, en el tamao de los dispositivos, dieron origen a la aparicin de unos nuevos materiales llamados semiconductores, que a su vez provocaron la creacin de una nueva disciplina tecnolgica denominada electrnica. Dentro de esta tecnologa existen los diodos los cuales permiten el paso de la corriente en un solo sentido, posterior a esto fueron creados diferentes tipos de diodos que permitan suplir o mejor ciertas tecnologas ya creadas, uno de estos fue el Diodo Varactor.El diodo Varicap o Varactor fue desarrollado por la filial Semiconductor Pacfico del Ramo Wooldridge Corporation.

De acuerdo a su funcionamiento los Varactores son utilizados como condensadores controlados por voltaje. Ellos son comnmente utilizados en los amplificadores paramtricos, modulacin de frecuencia para emisoras de FM, osciladores paramtricos y osciladores controlados por voltaje, como parte de los bucles de enganche de fase y sintetizadores de frecuencia. Por ejemplo, varactores se utilizan en los sintonizadores de los aparatos de televisin para sintonizar electrnicamente el receptor a diferentes estaciones.

Desde el punto de vista del funcionamiento de diodo Varicap es un tipo de diodo que basa su funcionamiento en la variacin de extensin de la zona desierta de la unin PN en funcin de la tensin inversa aplicada entre sus extremos. Al aumentar dicha tensin, aumenta la anchura de esa barrera, disminuyendo as la capacidad del diodo. De este modo se obtiene un condensador variable controlado por tensin.

Por lo tanto, entendiendo el funcionamiento que posee un circuito en el cual est presente el diodo Varicap, para sintonizar una radio se est variando (mecnicamente) el eje del condensador variable que incorpora ste en su etapa de sintona, en cambio, si se acta sobre el botn de sintona del receptor de TV a color lo que se est haciendo es variar la tensin de polarizacin inversa de un diodo Varicap contenido en el mdulo sintonizador del equipo, por lo cual en definitiva permitira modificar de esta manera la sintona del aparato.

VII. Referencias Bibliogrficas

Boylestad Nashelsky. (2003). Electrnica:Teora de circuitos y dispositivos electrnicos 8 ed. Mxico: Pearson Educacin.http://www.viasatelital.com/proyectos_electronicos/capacitores.htmhttp://es.wikipedia.org/wiki/Dopaje_(semiconductores)http://www.diclib.com/cgi-bin/d1.cgi?l=es&base=es_wiki_10&page=showid&id=47367#.UzIMxfl5Nu4http://www.diclib.com/cgi-bin/d1.cgi?l=es&base=es_wiki_10&page=showid&id=46556#.UzIOK_l5Nu4#ixzz2x1GJNOBQhttp://ingeniatic.euitt.upm.es/index.php/tecnologias/item/435-diodo-varicaphttp://www.neoteo.com/electronica-basica-diodos-varicap/http://www.ingeniaste.com/ingenias/telecom/diodo-varactor-varicap.htmlhttp://pdf.datasheetcatalog.net/datasheet/infineon/1-bb804.pdf

VIII. Anexos

A. Definiciones:

DOPAJE:Proceso intencional de agregar impurezas en un semiconductor extremadamente puro (tambin referido como intrnseco) con el fin de cambiar sus propiedades elctricas. Las impurezas utilizadas dependen del tipo de semiconductores a dopar.SEMICONDUCTORTIPO P:Se obtiene llevando a cabo unprocesode dopado, aadiendo un cierto tipo de tomos alsemiconductorpara poderaumentarelnmerode portadores de carga libres (en este caso positivo). Cuando el material dopante esaadido, ste libera los electrones ms dbilmente vinculados de los tomos delsemiconductor. Este agente dopante es tambin conocido comomaterial aceptory los tomos delsemiconductorque han perdido unelectrnson conocidos comohuecos.SEMICONDUCTOR TIPO N: Se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado aadiendo un cierto tipo de tomos al semiconductor para poder aumentar el nmero de portadoras de carga libres (en este caso, negativas). Cuando el material dopante es aadido, ste aporta sus electrones ms dbilmente vinculados a los tomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es tambin conocido como material donante ya que da algunos de sus electrones. UNIN P-N:Para dar una utilidad al semiconductor es necesario poner a interactuar entre s diversos materiales, la estructura ms sencilla es el Diodo de Unin la cual no es ms que la unin de dos semiconductores de distintos tipo, uno tipo N y otro tipo P.Para esto, tenemos un material semiconductor (Silicio o Germanio) dopado tipo N con exceso de electrones y un material dopado tipo P con exceso de huecos, los cuales cuando se encuentran aislados estn en equilibrio inico.Hay que destacar que ninguno de los dos cristales por separado tiene carga elctrica, ya que en cada cristal, el nmero de electrones y protones es el mismo, de lo que podemos decir que los dos cristales, tanto el p como el n, son neutros (Su carga neta es 0).

CAPACITORES:Los capacitores nunca estn ausentes en los circuitos electrnicos, stos consisten bsicamente de dos placas metlicas separadas por un material aislante (llamado dielctrico). Este material dielctrico puede ser aire, mica, papel, cermica, etc.Al ser introducido en un circuito se comporta en la prctica como un elemento "capaz" de almacenar la energa elctrica que recibe durante el periodo de carga, la misma energa que cede despus durante el periodo de descarga.Smbolo condensador (no polarizado)Smbolo condensador electroltico (polarizado)

El valor de un capacitor se determina por la superficie de las placas y por la distancia entre ellas, la que est determinada por el espesor del dielctrico, dicho valor se expresa en trminos de capacidad. La unidad de medida de dicha capacidad es el faradio (F).La capacidad de un capacitor disminuye conforme aumenta la frecuencia. Los condensadores, al igual que las resistencias, se pueden conectar tanto en serie como en paralelo:

La capacidad equivalente serie es: CT= 1/(1/C1+ 1/C2+ 1/C3+ ...+ 1/Cn)La capacidad equivalente paralelo es: CT= C1+ C2+ C3+ ...+ Cn

POLARIZACIN INVERSA:Los diodos varactores estn diseados para proporcionar una tensin controlada a travs de la capacitancia en operacin bajo polarizacin inversa. Un diodo de ruptura inversa se define por la tensin inversa mnima necesaria para hacer que el comportamiento del diodo se de en sentido inverso. A medida que aumenta la polarizacin inversa, la capacitancia disminuye; la tensin mxima que un diodo varactor puede soportar est determinada por su nivel mximo de capacitancia. La polarizacin inversa de los diodos varactores opera desde alrededor de unos pocos voltios hasta unos 20 voltios, con algunas excepciones raras que operan hasta 60 voltios. A medida que aumenta la tensin de un diodo varactor, los suministros de energa especficos deben ser proporcionados por los circuitos de conduccin del diodo.B. Diodo varactor.