Diodo

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Diodo
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Diodo al vacío.

El diodo es un componente discreto que permite la circulación de corriente entre sus terminales en un determinado sentido, mientras que la bloquea en el sentido contrario.

Un diodo (del idioma griego: “di-odós”: ‘dos caminos’) es un dispositivo de dos terminales que permite el paso de la corriente en una sola dirección. El termino "diodo" se usa generalmente para referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad. El diodo de vacío es un tubo de vacío con dos electrodos: una lámina como ánodo y un cátodo. Los diodos al vacío actualmente solo tienen uso en tecnologías de alta potencia.

Tipos de diodos

En realidad existen muchos tipos de diodos especiales para que cumplan con una función determinada y los más comunes que se encuentran en cualquier circuito son:

  • diodo zener,
  • diodo túnel,
  • diodo inverso o diodo backward y
  • diodo varicap o diodo voltacap.

Diodo Zener

Los diodos zener son diodos especialmente construidos como para que su tensión de ruptura ocurra a un valor relativamente bajo (1 a 40V) y que sea un valor muy exacto. De este modo el diodo se transforma en un regulador de tensión o fuente regulada de tensión con una gran cantidad de aplicaciones.

Diodo Túnel o diodo de Esaki

En estos diodos no hay almacenamiento de portadores en exceso, de modo que la acción de conmutación es sumamente rápida. Por esta razón una de las aplicaciones más atractivas para estos dispositivos es en calculadoras digitales y circuitos lógicos en los cuales se necesita una conmutación sumamente rápida.

Diodo inverso o backward diode

Este diodo presenta una relación de corriente pico a corriente valle mucho menor, que los demás, pero tiene su punto de ruptura en cero volts. Es muy útil cuando se necesita una acción rectificadora en combinación con ondas de pequeña amplitud, pues el rendimiento mejora grandemente.

Diodo voltacap o varicap

Es un diodo que se fabrica con una capacidad variable que puede ser aprovechada, por ejemplo como sintonizador, etc.

Diodo led

Diodo led.

Como su nombre lo indica, LED (light emission diode: ‘diodo de emisión de luz’) la función principal de este diodo en la emitir luz, muy utilizado en los dispositivos modernos como indicadores, incluso ya se piensa en ellos como fuentes de alumbrado público debido a su alta eficiencia, ya que consumen muy poca energía y emiten gran cantidad de luz.

Diodos rápidos

Existen dos tipos característicos; los diodos rápidos de potencia y los diodos rápidos de señal.

  • Diodos de potencia: Se utilizan en las modernas fuentes de switching que trabajan a frecuencias de hasta 500 kHz y pueden manejar corrientes de varios amperes y tensiones de varios cientos de volts.
  • Diodos rápidos de señal: Incluyendo los diodos Schottky que tienen tiempos de conmutación del orden de 1 nS o menos. El diodo Schottky llamado así en honor del físico alemán Walter H. Schottky, es un dispositivo 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 de barrera.

Diodo como componente activo

Diodo de Fleming

Los componentes activos son aquellos que son capaces de excitar los circuitos o de realizar ganancias o control del mismo. Fundamentalmente son los generadores eléctricos y ciertos componentes de un Semiconductor. Estos últimos, en general, tienen un comportamiento no lineal, esto es, la relación entre la tensión aplicada y la corriente que circula no es lineal como en un resistor, un capacitor o un inductor. Los componentes activos semiconductores derivan del diodo de Fleming y del triodo de Lee de Forest.

En una primera generación aparecieron las válvulas que permitieron el desarrollo de aparatos electrónicos como la radio o la televisión. Posteriormente, en una segunda generación, aparecerían los semiconductores que más tarde darían paso a los circuitos integrados (tercera generación) cuya máxima expresión se encuentra en los circuitos programables (microprocesador y microcontrolador) que nuestros alumnos ya conocen y que pueden ser considerados como componentes, aunque en realidad son circuitos que llevan en su interior millones de componentes. En la actualidad existe un número elevado de componentes activos, siendo usual, que un sistema electrónico se diseñe a partir de uno o varios componentes activos que condicionaran el funcionamiento del circuito.

Esto no sucede con los componentes pasivos. Dentro de los componentes activos mas importantes se pueden nombrar a los diodos en primer termino cuya función es rectificar y limitar las señales; luego los transistores cuya función es amplificar o controlar la corriente de un circuito; los amplificadores operacionales cuya función principal es amplificar pero que tienen otros usos como sumadores restadores, etc y por ultimo los circuitos integrados en general de los cuales existen versiones programables y no programables y que tienen un uso general. El componente activo más elemental es el DIODO.

Polarización del diodo

El diodo de unión presenta una disimetría eléctrica, lo cual se traduce en una débil resistencia al paso de la corriente en un sentido y una muy fuerte en el otro, por lo que presentan dos comportamientos diferentes ante diferente polarización.

Diodo pn o unión pn

Diodooo.jpg

Los diodos pn, son uniones de dos materiales semiconductores extrínsecos tipos p y n, por lo que también reciben la denominación de unión pn. Hay que destacar que ninguno de los dos cristales por separado tiene carga eléctrica, ya que en cada cristal, el número 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).

Formación de la zona de carga espacial

Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión 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 deplexión, 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 iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.

Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (VD) 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 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. Dado que los electrones fluyen desde la zona n hacia la zona p, al extremo p se le denomina ánodo (representándose por la letra A) mientras que al extremo n se le denomina cátodo (se representa por la letra C o K). Existen también diodos de protección térmica los cuales son capaces de proteger cables.

Diodo Simbología.JPG

Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa.

Diodos semiconductores

Los diodos, del griego “di-odos” (‘dos caminos’) se forman, teóricamente, mediante la unión de un cristal, tipo N y un cristal tipo P de cualquier material semiconductor, aunque los que más predominan son los de silicio (Si) y de Germanio (Ge). En la práctica en una región muy fina de un monocristal en la cual la conductividad pasa gradualmente del tipo P al tipo N o viceversa.

Formación de la unión PN

Unión PN nn.jpg

Supongamos que se dispone de un monocristal de silicio puro, dividido en dos zonas con una frontera nítida, definida por un plano. Una zona se dopa con impurezas de tipo P y la otra de tipo N (Figura 4). La zona P tiene un exceso de huecos, y se obtiene introduciendo átomos del grupo III en la red cristalina (por ejemplo, boro). La zona N dispone de electrones en exceso, procedentes de átomos del grupo V (fósforo). En ambos casos se tienen también portadores de signo contrario, aunque en una concentración varios órdenes de magnitud inferior (portadores minoritarios).

Barrera de potencial o tensión de difusión

Difusion.gif

Al unirse un material tipo N abundante en electrones con un material tipo P abundante en huecos, en la zona de unión los electrones libres de la región N se difunden a través de la unión hacia la región P y los huecos de la región P se difunden hacia la región N. No se debe suponer que estas recombinaciones se realizan tan exactamente que el material queda neutralizado, por el contrario el cambio es tan brusco que una gran cantidad de electrones de la región N no tendrá huecos para combinarse en la región P ocurriendo otro tanto con los huecos que llegan a la región N. De esta forma en la región de la unión el tipo P queda polarizado negativamente y el tipo N resulta polarizado positivo. Por tal motivo se crea en la región de la unión un campo eléctrico que se opone a la difusión de huecos en N y de electrones en P, estableciéndose de ese modo una barrera denominada “barrera de potencial” o “tensión de difusión”

Polarización directa

Diodos semiconductores

En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad. Para que un diodo esté polarizado directamente, tenemos que conectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos observar que:

  • El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n.
  • El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.
  • Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n.
  • Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería.

De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final.

Al aplicarle al diodo una diferencia de potencial, donde el polo positivo de la batería se conecta al material tipo P y el negativo al material tipo N, los electrones del material tipo P son atraídos por el positivo de la batería y las cargas positivas del tipo N atraen a su vez los electrones del negativo de la batería que vuelven a pasar a P atraídos nuevamente por el polo positivo produciéndose una circulación de corriente en sentido directo, lo que trae consigo el estrechamiento de la barrera de potencial por la acción del campo eléctrico. En estas condiciones basta una pequeña tensión aplicada para que la corriente que atraviesa la superficie de contacto sea relativamente intensa y su resistencia directa muy pequeña.

Características de la polarización directa

En polarización directa el diodo presenta una baja resistencia al paso de la corriente lo cual que pequeñas variaciones de voltaje permitan el paso de una gran corriente. Generalmente esta característica parte de 0.6 V para diodos de silicio y de 0.2 V para los de Germanio.

Polarización inversa

Polarización directa.

En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación:

  • El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de valencia, ver semiconductor y átomo) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos.
  • El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de –1, convirtiéndose así en iones negativos.
  • Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que 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 (ver semiconductor) a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μA) denominada corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fuga es despreciable.

Si se toma como ejemplo la situación anterior, pero esta vez se conecta la batería en sentido contrario, al aplicar un voltaje externo, la batería refuerza la barrera de potencial, luego los electrones no pueden difundirse hacia P y los Huecos no pueden hacerlo hacia N, por tanto en teoría la unión no conduce y su resistencia es infinita, en la práctica aparece una corriente tan débil que puede ser despreciada. Por tanto la unión PN puede ser buena o mala conductora según la polarización que se le aplique al diodo. Esta característica es muy útil en circuitos detectores y rectificadores.

Características en polarización inversa

En sentido inverso o de no conducción se presenta una gran resistencia, lo que provoca que la corriente aumente muy poco en relación con la variación de voltaje. Esta característica presenta una zona llamada “codo”, en la cual variaciones de voltaje pequeñas presentan aumentos considerables de corriente inversa. El voltaje inverso máximo se fija a un valor al principio de la zona del codo.

Curva característica del diodo

  • Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ).

La tensión umbral (también llamada barrera de potencial) 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 pequeños incrementos de tensión se producen grandes variaciones de la intensidad de corriente.

  • Corriente máxima (Imax).

Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto Joule. Dado que es función de la cantidad de calor que puede disipar el diodo, depende 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 debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica por cada incremento de 10º en la temperatura.

  • Corriente superficial de fugas.

Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo (ver polarización inversa), esta corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial de fugas.

  • Tensión de ruptura (Vr).

Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha. Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente inversa de saturación; en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, en el diodo normal o de unión abrupta la ruptura se debe al efecto avalancha; no obstante hay otro tipo de diodos, como los Zener, en los que la ruptura puedria deberse a dos efectos:

  • Efecto avalancha (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 incrementando su energía cinética de forma que al chocar con electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de conducción. Estos electrones liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión, chocando con más electrones de valencia y liberándolos a su vez. 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 incrementándose la corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V o menores.

Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos especiales, como los Zener, se puede producir por ambos efectos.

Ruptura de la unión

La característica inversa pone en evidencia una zona de ruptura del diodo, es decir, una zona donde la corriente inversa se hace sumamente importante, dentro de los principales efectos que provocan la ruptura se encuentran: El efecto térmico, el efecto de campo, el efecto de avalancha y el efecto zener.

Efecto térmico

Un aumento de temperatura provoca una mayor energía en los electrones y por tanto una mayor corriente inversa. La potencia que se disipa en la unión es igual al producto del voltaje en sus extremos y la corriente que lo atraviesa. Por tanto la potencia que se disipe en la unión aumenta hasta llegar a la ruptura del diodo. Este efecto no será destructivo a condición que se limite la temperatura que puede alcanzar la unión.

Efecto de campo

El aumento del voltaje inverso provoca un crecimiento del campo eléctrico en la unión. Para un valor elevado de este campo se produce el fenómeno “disrupción” o arranque de los electrones de enlace. Por tanto la corriente inversa aumenta en proporciones y solo está limitada por el propio diodo.

Efecto de avalancha

Las cargas eléctricas que atraviesan la unión reciben energía proporcional al voltaje aplicado entre sus extremos. A todo aumento del voltaje inverso corresponde un incremento en la energía almacenada por las cargas de desplazamiento; cuando esta energía alcanza cierto umbral se produce el efecto de ionización por choque. Este fenómeno se puede hacer acumulativo a su vez; las cargas eléctricas provocan esta ionización, produciéndose un efecto de avalancha de electrones. En este caso la corriente inversa se limita por medio de los elementos del circuito exterior al diodo.

Ruptura Zener

Si el voltaje aumenta lo suficiente, es posible que el campo eléctrico en la unión se vuelva lo bastante fuerte como para que se rompan bruscamente los enlaces covalentes cuando se llega al voltaje de ruptura este fenómeno se le llama ruptura Zener. Generalmente los diodos que utilizan este fenómeno para su funcionamiento se llaman Zener y son fabricados de Silicio (Si).

Modelos matemáticos

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

Donde:

  • I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo
  • VD es la diferencia de tensión entre sus extremos.
  • IS es la corriente de saturación (aproximadamente 10 − 12A)
  • q es la carga del electrón cuyo valor es 1.6 * 10 − 19
  • T es la temperatura absoluta de la unión
  • k es la constante de Boltzmann
  • n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo y que suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio).
  • El término VT = kT/q = T/11600 es la tensión debida a la temperatura, del orden de 26 mV a temperatura ambiente (300 K ó 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 modelan las zonas de funcionamiento del diodo por 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.

Otros tipos de diodos semiconductores

Tipos de válvula diodo

  • Diodo de alto vacío
  • Diodo de gas
  • Rectificador de mercurio

Aplicaciones del diodo

Véase también

Fuentes