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To Be or Not to Be a Diode?

¿Ser o no ser un diodo? Depende del gradiente de temperatura

Los circuitos eléctricos y electrónicos no existirían sin el humilde diodo. Incluso antes de que existieran los modernos diodos de estado sólido, los ingenieros utilizaban toscos pero eficaces rectificadores de selenio e incluso diodos de tubo de vacío, hoy obsoletos. Aunque su función nominal es simple -permitir que la corriente fluya en una sola dirección-, el papel real que desempeñan los diodos en los circuitos es mucho más variado y creativo.

El diodo semiconductor, fabricado con materiales dopados con p y n, tiene una conocida dependencia de la temperatura en su relación corriente-voltaje, una característica que puede afectar negativamente al rendimiento del circuito, pero que también puede aprovecharse para crear funciones útiles, como sensores de temperatura de precisión. En cualquier caso, un atributo que comparten todos los diodos es que funcionan como tales hasta que se produce una avería catastrófica o un fallo total.

Pero quizá el aspecto “una vez diodo, siempre diodo” no tenga por qué ser así. Un equipo de investigadores de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) ha descubierto un material que permite crear un componente que pasa reversiblemente de diodo a no diodo con un simple cambio en el gradiente de temperatura.

“Hemos encontrado un material que puede convertirse en conductor n o conductor p simplemente cambiando la temperatura”, explica Tom Nilges, catedrático de Síntesis y Caracterización de Materiales Innovadores de la TUM.

Pruebas materiales


Los investigadores han podido demostrar que basta un cambio de temperatura de unos pocos grados para que se produzca este efecto, y que se puede crear un diodo funcional con un gradiente de temperatura dentro del material. Cuando el material está a temperatura ambiente, es un conductor p normal. Cuando se aplica un gradiente de temperatura suficiente, se genera simultáneamente un conductor n en las zonas calentadas. Si el gradiente cae por debajo de un umbral, cesa la acción del diodo. Un aspecto importante para las aplicaciones potenciales es que el efecto funciona en el rango de temperatura ambiente, con un aumento local de la temperatura de apenas unos grados, de 22 a 35°C.

La búsqueda del material perfecto supuso 12 años de trabajo, que culminaron con el descubrimiento y la investigación en profundidad por parte del equipo del haluro de calcogenuro metálico Ag18Cu3Te11Cl3. Está formado por los elementos plata, cobre, telurio y cloro. Los investigadores se toparon con esta clase de compuestos al explorar materiales termoeléctricos.

Uno de los materiales que estudiaron mostraba el efecto de conmutación p-n. Sin embargo, sólo se observaba en un intervalo de temperaturas en torno a los 100 °C, inadecuado para aplicaciones prácticas. Tras numerosos análisis y experimentos, los investigadores descubrieron que el Ag18Cu3Te11Cl3 muestra el efecto deseado y es adecuado para aplicaciones a temperaturas más normales (Fig. 1).

1.Fabricación de diodos y caracterización U/I (“U” es la designación alemana para voltios): (a) Esquema del sistema de medida. (b) Monocristal de Ag18Cu3Te11Cl3 montado sobre electrodos de Au y en contacto con In metálico. Las resistencias de 49-Ω utilizadas para aplicar un gradiente de temperatura mediante calentamiento por resistividad se encuentran junto al contacto derecho. (c) Gráfico U/I medido a 281 K dentro de b- Ag18Cu3Te11Cl3 (línea negra) y después de aplicar temperatura al sistema para crear un gradiente de 13 K entre 295(1) y 308(1) K (línea azul). (d) Tiempo de conmutación del diodo bajo el mismo gradiente térmico. Se aplicó un avance de 5 V, seguido de una corriente inversa de -5 V en t = 0. (Los errores de los valores medidos se encuentran dentro de los puntos. (e) Para asegurarse de que no se está formando ningún diodo Schottky en los rangos de temperatura aplicados, también midieron curvas U/I isotérmicas para Ag18Cu3Te11Cl3 hasta 331 K. Cuando todo el cristal se mantuvo a la misma temperatura, no se encontró ninguna característica rectificadora. Se observó un aumento de la conductividad a temperaturas más altas, como es de esperar en un semiconductor. (Los errores de los valores medidos se encuentran dentro de los puntos).

Aplicaciones


Una pregunta obvia es la siguiente: ¿Cuáles son las posibles aplicaciones de este diodo morfable? La respuesta es fácil: no está claro. Los autores especulan sobre las posibilidades, pero son muy tentativas y vagas. Como siguiente paso, los investigadores pretenden demostrar que su material puede utilizarse para crear transistores mediante cambios de temperatura. Entonces, con un diseño adecuado, un único dispositivo podría funcionar como resistencia, diodo o transistor, dependiendo del gradiente de temperatura y de la posición de las conexiones.

Por supuesto, es fácil descartar este avance por no tener aplicaciones viables, al menos de momento. Sin embargo, a menudo los avances fundamentales que parecen no tener aplicación acaban teniéndola. Alguien descubre cómo adoptarlo y adaptarlo para resolver problemas o aplicar funciones que ni siquiera se habían concebido. Nótese que cuando Theodore H. Maiman demostró el primer láser óptico en 1960, los periodistas quedaron impresionados. Sin embargo, algunos también lo tacharon burlonamente de “solución que busca problemas que resolver”, y ya sabemos cómo siguió la historia del láser después de aquello.

Además del análisis teórico, se realizaron numerosas pruebas con una amplia gama de parámetros eléctricos, físicos, químicos, de difracción de cristales, etc. (Fig. 2).

Creditos: Electronic Design

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