INTRODUCCI%d3N

INTRODUCCIÓN
En este tema abordamos el estudio de uno de los componentes más simples
de los realizados con semiconductores, pero no por ello menos útil, ya que
tiene innumerables aplicaciones y está presente en la mayoría de los circuitos
electrónicos. Nos referimos al diodo semiconductor.
Un diodo está formado por la unión de dos cristales de una misma
sustancia semiconductora, normalmente germanio (Ge) o silicio (Si), uno de
los cuales contiene impurezas tipo N, al que se denomina cátodo, y otro
impurezas tipo P, denominado ánodo. Su nombre viene de la contracción de di
(dos) y electrodo; es decir, dos electrodos o dos terminales, uno conectado
en cada zona, que sirven para su conexión exterior.
La figura 1-a muestra el símbolo que representa al diodo y el nombre de sus
terminales. Tiene forma de flecha que apunta según el sentido convencional de
la corriente (de + a -).
LA UNIÓN PN
Para la fabricación de diodos no se recurre a unir dos cristales
semiconductores, uno P y otro N, sino que, se fabrican cristales que tienen una
zona P y la otra tipo N. A1 límite entre ambas zonas se le denomina unión
(véase la figura 1-b). Los signos + y - dentro de un circulo nos indican el tipo
de portadores mayoritario presente en cada zona: huecos y electrones,
respectivamente.
En la región P hay gran cantidad de huecos, que son los portadores
mayoritarios, mientras que en la zona N abundan los electrones libres
moviéndose de forma desordenada. Una vez que se ha formado el cristal con
las dos regiones P y N, a los electrones de la zona N próximos a la unión les
resulta fácil atravesarla y alcanzar la zona P, donde no tardan en combinarse
con los numerosos huecos de esta zona. Cada electrón de la zona N que
atraviesa la unión deja un átomo cargado positivamente (ion positivo o catión)
en esta zona, y ese mismo electrón, cuando se combina con un hueco de la
zona P, hace que quede con carga negativa el átomo asociado a ese hueco
(ion negativo o anión) en la zona P. A este proceso se le conoce como difusión
(figura 2).
La difusión de electrones de la zona N a través de la unión hacia la zona P
continuaría hasta que todos los electrones libres se combinaran con los
huecos, si no fuera porque, como cada electrón que atraviesa la unión crea un
par de iones en las proximidades de ésta, uno positivo en la zona N y otro
negativo en la zona P, van haciendo desaparecer ( agotan do) los electrones
libres y los huecos alrededor de la unión. Además, los iones negativos que
aparecen en la zona P actúan como una barrera, repeliendo a los electrones
libres de la zona N que intentan pasar a la P, por lo que cada vez necesitan
más energía para atravesar la unión. Cuando los electrones de la zona N no
tienen suficiente energía para superar la fuerza de repulsión de los iones
negativos de la zona P, cesa el proceso de difusión y queda formado el diodo.
POLARIZACIÓN DEL DIODO
Polarizar un componente o circuito electrónico consiste en suministrarle
las tensiones necesarias para su funcionamiento.
A1 aplicar una tensión a los terminales de un diodo podemos conseguir que los
electrones adquieran suficiente energía para atravesar la unión y, por lo tanto,
que se establezca una corriente, en cuyo caso se dice que es una polarización
directa o, por el contrario aumentar la anchura de la barrera e impedir así el
paso de los electrones, con lo que no habrá circulación de corriente, y decimos
entonces que es una polarización inversa.
POLARIZACIÓN DIRECTA
Cuando un diodo se polariza directamente, la barrera de potencial de la unión
se estrecha hasta desaparecer para tensiones superiores a 0,6 voltios, de este
modo se establece una corriente de electrones que procedente del polo
negativo de la batería atraviesa el diodo hasta el polo positivo, y que se
mantendrá mientras se tenga aplicada la fuente de tensión
Un diodo está polarizado directamente cuando el ánodo es más positivo que el
cátodo. Se comporta entonces como una resistencia de valor óhmico bajo o
un circuito cerrado, pudiendo circular por él una corriente.
POLARIZACIÓN INVERSA
Este tipo de polarización esto da como resultado un aumento de la anchura
de la zona de carga espacial y no hay circulación de corriente apreciable.
Sin embargo, a causa fundamentalmente de la temperatura, se establece una
muy pequeña corriente cuando está polarizado en inversa el diodo, a esta
corriente se le denomina corriente inversa o corriente de fuga y su valor es muy
pequeño, del orden de nA o pA, por lo cual a menudo no se tiene en cuenta.
Un diodo está polarizado inversamente cuando el ánodo es más negativo que
el cátodo. Se comporta entonces como una resistencia de alto valor óhmico o
un circuito abierto, no circulando apenas corriente por él.
CURVA CARACTERÍSTICA DEL DIODO
La figura 5-a muestra la curva característica I = f(V) de un diodo polarizado
directamente, que representa los valores de la corriente que lo atraviesa en
función de la tensión que exista entre sus terminales.
Para construirla, basta con llevar sobre unos ejes de coordenadas los valores
indicados por el voltímetro y por el amperímetro del circuito de la figura 5-b, al ir
variando la tensión proporcionada por la batería VG.. A esta zona de la curva se
le denomina región directa de la curva, porque sus puntos corresponden a
valores de tensión y de corriente del diodo polarizado de forma directa.
Invirtiendo la polaridad de la fuente de tensión, como muestra el circuito de la
figura 6-a, y siguiendo el procedimiento anterior, se obtiene la curva
característica de un diodo polarizado en inversa (figura 6-b), donde se
aprecia el valor extremadamente pequeño de la corriente, del orden de nA o
pA, que es producido esencialmente por energía térmica.
Conforme se aumenta la tensión inversa los electrones generados por
energía térmica son atraídos con más fuerza hacia el polo positivo de la
batería, aumentando su velocidad y, por tanto, su energía. En su trayectoria
hacia el polo positivo chocan con otros electrones de valencia y cuando, por
efecto de la tensión aplicada, tienen la energía suficiente para arrancarlos del
átomo, se convierten también en electrones libres, los cuales a su vez liberaran
a otros, y así sucesivamente.
A esta zona de la curva se le denomina región inversa de la curva o,
simplemente, característica inversa.
La figura 7 representa la curva completa de funcionamiento del diodo, tanto con
polarización directa como con polarización inversa. La zona directa se aprecia
que no es lineal, es decir, que la corriente no es proporcional a la tensión.
También se observa que con polarización directa no siempre circula una
corriente por el diodo, sino que ésta se establece una vez que la tensión en los
extremos del diodo tiene un cierto valor Vg que es el potencial de barrera, al
que se suele denominar tensión de umbral. Este valor es de 0,7 voltios para
diodos de silicio y 0,3 voltios para diodos de germanio.
APROXIMACIONES DEL DIODO
En los casos en que, bien no se disponga de las curvas características del tipo
de diodo que queramos utilizar, bien se trate de realizar análisis preliminares
(en que no es necesaria gran exactitud), o bien cuando nos interese un análisis
cualitativo, más que cuantitativo, utilizaremos alguna de las aproximaciones
(simplificaciones) que se exponen a continuación, con la seguridad de que el
error que cometeremos es prácticamente despreciable.

La primera aproximación consiste en considerar que el diodo se
comporta como un interruptor. Así, cuando está polarizado
directamente actúa como un interruptor cerrado, y cuando lo está
inversamente como un interruptor abierto (figura 9). Con esta
simplificación se considera que en polarización directa no es precisa una
tensión de umbral Vg para empezar a conducir, y que en polarización
inversa no circula por él ninguna corriente. Esta aproximación se puede
utilizar siempre que la diferencia de potencial entre sus terminales no
sea relevante para el funcionamiento del circuito y, por tanto, se pueda
despreciar; ello sucede a menudo. En este caso se dice que el diodo es
totalmente ideal y su curva característica es la de la figura 9-c.

Segunda aproximación. En aquellos casos en que no se pueda
despreciar la caída de tensión en el diodo, se recurre a la segunda
aproximación, cuya curva característica es la indicada en la figura 10 y
donde se tiene en cuenta que hasta que no se supera la tensión de
umbral Vg = 0,7 V (para el silicio) no se establece una corriente. Por lo
cual, el diodo en polarización directa equivaldría a un diodo ideal y una
batería de valor Vg en serie.

La tercera aproximación . Es la más exacta y válida para la práctica
totalidad de los casos. La curva característica y los circuitos equivalentes
del diodo en directa y en inversa serían los de la figura 11. E1 modelo
para polarización directa está formado por un diodo ideal, una batería
que representa la tensión umbral Vg Y la resistencia RF que presenta el
diodo, una vez que ha entrado en conducción, y cuyo valor es: RF = (V Vg )/ I
En la mayoría de los casos es del todo válido utilizar la segunda aproximación,
haciendo uso de la tercera sólo en aquellos otros casos en que se requiera
mucha exactitud o que la tensión del diodo influya de manera notable en el
funcionamiento del circuito en su conjunto.
APLICACIONES DE LOS DIODOS
Los diodos están presentes en la práctica totalidad de los circuitos electrónicos,
realizando funciones muy diversas, solos o en unión de otros componentes.
Algunas de estas aplicaciones son como limitadores, detectores,
recortadores, etc. Sin embargo, la aplicación más representativa y donde el
diodo es el componente principal es en el proceso de rectificación.
ALGUNAS CONSIDERACIONES PRÁCTICAS SOBRE DIODOS
ENCAPSULADO
Encierra el material semiconductor que constituye el diodo , lo protege y ayuda
a disipar el calor que se produce. Dependiendo de la potencia del diodo y, por
lo tanto, de la cantidad de calor que deba disipar, se construyen de:

Plástico, para diodos rectificadores de baja potencia y diodos de
aplicaciones generales.

Cristal, para diodos de germanio (Ge) en aplicaciones de alta
frecuencia.

Metal, para diodos rectificadores de elevada potencia. Suele incluir una
parte roscada o un taladro, para permitir su fijación a un radiador que le
ayude a disipar el calor.
CÓDIGOS DE DESIGANCIÓN DE DIODOS
Código europeo PROELECTRÓN
Tres letras y dos cifras para componentes profesionales
Dos letras y tres cifras para componentes gran público
Primera letra
'A' Germanio
'B' Silicio
Segunda letra
'A' Diodo de baja señal
'B' Diodo varicap
'Y' Diodo rectificador
'Z' Diodo zener
Tercera letra y dos o tres cifras
Da una identidad propia a cada uno
de los distintos diodos fabricados.
Ejemplo: BA 224 Diodo de silicio de baja señal
AA 115 Diodo de germanio de baja señal
BY 127 Diodo rectificador
Tabla 1. Código europeo de identificación de diodos PROELECTRÓN.
Código americano JEDEC.
Emplea el prefijo '1N' para identificar a
los diodos
Constan de cuatro dígitos que dan
identidad propia al diodo en cuestión.
Ejemplo: 1N 4007 Diodo Rectificador de Silicio
Tabla 2. Código americano de identificación de diodos JEDEC.
Código japonés JIS.
Emplea el prefijo '1S' para identificar a
los diodos
Constan de cuatro dígitos que dan
identidad propia al diodo en cuestión.
Ejemplo: 1S 6315 Diodo
Tabla 3. Código japonés de identificación de diodos JIS.
Códigos particulares de empresas
Emplea el prefijo 'OA' para indicar
Constan de dos o tres dígitos que dan
diodo de germanio de baja señal
identidad propia al diodo en cuestión.
Ejemplo: OA 90 Diodo de germanio de baja señal
Tabla 4. Códigos particulares de identificación de diodos.