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Diodo

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Distintos diodos rectificadores semiconductores
Diodos semiconductores.

Un diodo es un dispositivo que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección. De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones: por debajo de cierta diferencia de potencial se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con una resistencia eléctrica muy pequeña.

Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de convertir una corriente alterna en una continua.


Válvula de vacío

Los primeros diodos eran válvulas o tubos de vacío, también llamados válvulas termoiónicas, constituidos por dos o más electrodos rodeados de vacío en un tubo de cristal, con un aspecto similar al de las lámparas incandescentes. El invento fue realizado en 1904 por John Ambrose Fleming, de la empresa Marconi, basándose en observaciones realizadas por Thomas Alva Edison.

Ilustración de la patente estadounidense de John Ambrose Fleming (1849-1945), publicada el 7 de noviembre de 1905.

Al igual que las lámparas incandescentes, los tubos de vacío más sencillos tienen un filamento (el cátodo) a través del que circula la corriente, calentándolo por efecto Joule. El filamento está tratado con óxido de bario, de modo que al calentarse emite electrones al vacío circundante; electrones que son conducidos electrostáticamente hacia una placa metálica cargada positivamente (el ánodo), produciéndose así la conducción. Evidentemente, si el ánodo no se calienta no podrá ceder electrones al vacío circundante, por lo que el paso de la corriente en sentido inverso se ve impedido.

Aunque estos diodos aún se emplean en ciertas aplicaciones especializadas, y aún han tenido cierto resurgimiento, la mayoría de los diodos modernos se basan en el uso de materiales semiconductores, especialmente en electrónica.

Diodo pn

Los diodos pn son uniones de dos materiales semiconductores extrínsecos tipos p y n, por lo que también reciben la denominación de unión pn.

Formación de la zona de carga espacial
Formación de la zona de carga espacial

Al unir ambos cristales, se manifiestan dos procesos:

  1. La difusión de huecos del cristal p al n ( Jh ) y
  2. una corriente de electrones del cristal n al p ( Je ).

Al establecerse estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe diferentes denominaciones, como zona de carga espacial, de agotamiento, de deflexión, de vaciado, etc.

A medida que progresa el proceso de difusión, la zona de carga espacial va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de cargas induce una diferencia de tensión (V) que actuará sobre los electrones con una determinada fuerza de desplazamiento que se opondrá a la difusión de huecos y a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.

Esta diferencia de tensión de equilibrio (V0) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V si los cristales son de germanio.

La anchura de la zona de carga de espacial una vez alcanzado el equilibrio suele ser del orden de 0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor.

Al dispositivo así obtenido se le denomina diodo, que en un caso como el descrito, tal que no se encuentra sometido a una diferencia de potencial externa, se dice que no está polarizado. Al extremo p, donde se acumulan cargas negativas se le denomina ánodo, representándose con la letra A, mientras que la zona n, el cátodo, se representa con la letra C (o K).

A (p) Diodo Representación simbólica.png C o K (n)
Representación simbólica del diodo pn.

Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado. La polarización puede ser:

  • inversa: Vp > Vn o
  • directa: Vp < Vn.
Diodo pn Polarización inversa.png
Polarización inversa del diodo pn.

Polarización inversa

En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p (la de menor tensión), lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y por tanto la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería.

En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco (véase semiconductor) a ambos lados de la unión, lo que produce una pequeña corriente (del orden de 1 μA), denominada corriente inversa de saturación.

Por efecto de la polarización inversa, las concentraciones de minoritarios (electrones en la zona p (np ) y huecos en la zona n (pn )) disminuyen a medida que nos aproximamos a la unión, desde los valores iniciales del diodo no polarizado hasta cero.

Diodo pn Polarización directa.png


Polarización directa del diodo pn.

Polarización directa.

En este caso, al contrario que en el anterior, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de las corrientes de electrones y huecos a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad.

Las concentraciones de conductores minoritarios, se incrementan desde los valores iniciales a medida que nos acercamos a la unión.

En la representación simbólica del diodo, la flecha indica el sentido de la polarización directa.

Diodo curva característica (Sockley).png

Curva característica del diodo

Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ ):
La tensión umbral de polarización directa coincide en valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodo no polarizado. Al polarizar directamente el diodo, la barrera de potencial inicial se va reduciendo, incrementando la corriente ligeramente, alrededor del 1% de la nominal. Sin embargo, cuando la tensión externa supera la tensión umbral, la barrera de potencial desaparece, de forma que para incrementos pequeños de tensión se producen variaciones grandes de intensidad.

Corriente máxima (Imax ):
Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto Joule. Dado que depende de la cantidad de calor que puede disipar el diodo, varía sobre todo del diseño del mismo.

Corriente inversa de saturación (Is ):
Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formación de pares electrón-hueco. Depende de la temperatura del material, y se admite que se duplica por cada incremento de 10° de la temperatura.

Tensión de ruptura (Vr ): Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, conducirá la corriente inversa de saturación; en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, del orden de 5 V, el diodo comienza a conducir también en polarización inversa.

La ruptura puede deberse a dos efectos:

  • Efecto diodo inverso (diodos poco dopados). En polarización inversa se generan pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la tensión inversa es elevada los electrones se aceleran e incrementan su energía cinética, de forma que al chocar con electrones de valencia pueden provocar que salten a la banda de conducción. Estos electrones liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión, chocan con más electrones de valencia y los liberan también. El resultado es una avalancha de electrones que provoca una corriente grande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a 6 V.
  • Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material, menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E puede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d; cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el campo eléctrico será grande, del orden de 3·105 V/cm. En estas condiciones, el propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia y aumentar la corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V o menores.

Para tensiones inversas de entre 4 y 6 V la ruptura del diodo se puede producir por ambos efectos.

Modelos matemáticos.

El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor de William Bradford Shockley), que permite estimar el comportamiento del diodo en la mayoría de las aplicaciones. La ecuación que liga la intensidad de corriente eléctrica y la diferencia de potencial es:

Donde:

  • I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo y VD la diferencia de tensión entre sus extremos.
  • IS es la corriente de saturación.
  • q es la carga del electrón.
  • T es la temperatura absoluta de la unión.
  • k es la constante de Boltzmann.
  • n es el coeficiente de emisión, que depende del proceso de fabricación del diodo y suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y aproximadamente 2 (para el silicio).
  • El término es la tensión debida a la temperatura, del orden de 26 mV a temperatura ambiente (300 K o 27 °C).

Con objeto de evitar el uso de exponenciales (a pesar de ser uno de los modelos más sencillos), en ocasiones se emplean modelos más simples aún, que modelizan las zonas de funcionamiento del diodo mediante tramos rectos; son los llamados modelos de continua o de Ram-señal que se muestran en la figura. El más simple de todos (4) es el diodo ideal.

Diodo Modelos de continua.png

Otros tipos de diodos semiconductores.

Aplicaciones del diodo.


Referencias


Notas