Diodo
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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.
Sumario
Diodo como Componente Activo
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.
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
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
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 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.
Polarización directa
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 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
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.
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).
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: El diodo Zener, Túnel, inverso o Backward y el Varicap o Voltacap.
Diodo Zener
Diodos 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 Tunel o 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
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
Como su nombre lo indica LED (Light Emission Diode) 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. Los 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.
Fuente
Véase también
