SEMICONDUCTORES EL DIODO

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SEMICONDUCTORES
EL DIODO
Electrónica Analógica
ÍNDICE
 OBJETIVOS ................................................................................................. 3  INTRODUCCIÓN .......................................................................................... 4 1.1. Estructura de los semiconductores ..................................................... 5 1.2. El enlace iónico ...................................................................................... 6 1.3. El enlace covalente ................................................................................ 7 1.4. Conductores y semiconductores ......................................................... 8 1.4.1. Semiconductores .............................................................................. 9 1.4.2. Semiconductores intrínsecos ............................................................ 9 1.4.2.1. Semiconductores extrínsecos ..................................................... 10 1.4.2.2. Semiconductores extrínsecos tipo N ........................................... 10 1.4.2.3. Semiconductores extrínsecos tipo P ........................................... 11 1.5. La unión PN .......................................................................................... 12 1.5.1. Los portadores de carga ................................................................. 12 1.5.2. ¿Qué ocurre en la unión? ............................................................... 14 1.5.3. La barrera de potencial ................................................................... 14 1.5.4. Polarización de la unión PN ............................................................ 16 1.5.4.1. Polarización directa ..................................................................... 16 1.5.4.2. Polarización inversa .................................................................... 18 1.6. El diodo semiconductor ...................................................................... 20 1.6.1. Curvas características ..................................................................... 21 1.6.2. Parámetros importantes .................................................................. 24 1.6.3. Tipos de diodos ............................................................................... 25 1.6.4. Algunas aplicaciones y circuitos ..................................................... 27  RESUMEN .................................................................................................. 31 1
Unidad 6..- Semiconductores. El Diodo
Electrónica Analógica
 OBJETIVOS
 Identificar el componente activo más importante, diodos.
 Experimentar el comportamiento práctico de los diodos cuando están
formando parte de circuitos de aplicación.
 Estudiar los efectos que diodos tienen sobre las señales electrónicas,
base fundamental para entender cómo se puede aplicar a la realización de
montajes prácticos.
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Unidad 6. Semiconductores. El Diodo
 INTRODUCCIÓN
La electrónica es una ciencia de aplicación que a primera vista, sea por los
comentarios que venimos oyendo desde hace muchos años, sea por la
escasa formación, tiene fama de cosa complicada e intocable.
La verdad es que no es lo mismo entender el funcionamiento de un motor o
aplicación mecánica, donde las piezas y efectos se "ven" y se "palpan"
físicamente, o una instalación hidráulica, donde el fluido se aprecia
discurriendo por los conductos, que una tarjeta electrónica llena de circuitos
integrados de aspecto negro siniestro (parecidos a los de Lord Vader) y
acompañados por su corte de resistencias, condensadores, diodos y otros
componentes de menor "rango".
El secreto de la electrónica es el conocimiento de estos componentes, y como
conocimiento queremos decir el estudiar y saber qué hacen en realidad con
las señales electrónicas, cuál es su efecto sobre ellas y qué va a ser lo que
obtengamos a la salida.
Por otra parte se ha comprobado en la práctica que los diodos son el
componente estrella de la electrónica por sus características y aplicaciones,
algo parecido a la popular aspirina, que sirve para todo. Además, es muy fácil
agruparlos de forma compacta en grupos llamados circuitos integrados, las
renombradas "cucarachas" o "chips", asignándoles también a cada uno una
función, más complicada, claro.
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UD6.- Semiconductores. El Diodo
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1.1. ESTRUCTURA DE LOS SEMICONDUCTORES
Ya vimos en la unidad 1 alguna noción sobre la composición de los
materiales, tema muy importante a la hora de entender el origen de la
electricidad, como también lo es para los semiconductores. La diferencia con
los materiales puramente conductores y aislantes los hace especialmente
interesantes: su conductividad es función de parámetros que podemos
manipular y no constructivamente de origen, sino solamente aplicando una
tensión de valor y una polaridad adecuadas.
La construcción de los semiconductores se realiza a partir de materiales muy
abundantes en la corteza terrestre, en concreto de silicio y de germanio. La
estructura de sus átomos forma una estructura rómbica, de las muchas que
podría tomar.
Enlaces
Átomos
Figura 6.1. Estructura cúbica
Figura 6.2. Estructura rómbica
correspondiente a los semiconductores
Para construir la estructura, los átomos se unen formando los llamados
enlaces.
Gracias a los componentes semiconductores se ha conseguido el desarrollo
tan espectacular de la electrónica, uniendo a su pequeño tamaño unas
características técnicas muy buenas.
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Unidad 6..- Semiconductores. El Diodo
1.2. EL ENLACE IÓNICO
Se caracteriza por la cesión de electrones de un átomo a otro. El ejemplo más
conocido es el cloruro sódico, o sea, la sal común. Un átomo de cloro, con
siete electrones en su último nivel, se une con un átomo de sodio, con un
electrón en su último nivel. El sodio cede su electrón del último nivel, u órbita,
con lo cual el cloro alcanza la estabilidad. Ya se ha formado el ion cloruro (-) y
el ion de sodio (+) al quedar este último con más protones pero con 8
electrones en su última órbita. Con ello adquieren la configuración electrónica
del gas noble más cercano.
Algunos materiales químicos tienden a ceder tres electrones de valencia para
que en su penúltimo nivel queden 8 electrones. Otros, pertenecientes al grupo
5B absorberán estos tres electrones para quedarse en su último nivel con 8
electrones.
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1.3. EL ENLACE COVALENTE
Se caracteriza porque los átomos comparten electrones. Los átomos de los
materiales del grupo 4B forman enlaces covalentes al compartir 4 electrones
con 4 átomos de su alrededor, consiguiendo 8 electrones en su último nivel, lo
que les confiere la estabilidad de gas noble.
Esta es la base de toda la teoría de la conducción de los semiconductores,
además de la famosa Ley de Culomb: las cargas de distinto signo se atraen y
las del mismo se repelen.
Un ion positivo es un átomo con defecto de electrones y un ion negativo es un
átomo con exceso de éstos.
Cuando, en una estructura cristalina, un electrón abandona su lugar, deja una
plaza libre que se denomina HUECO. Éste puede ser ocupado por otro
electrón.
En el desplazamiento de los electrones en la corriente eléctrica, dejan huecos
detrás y ocupan huecos delante. El efecto es que los huecos se desplazan
hacia el polo negativo y los electrones hacia el positivo.
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Unidad 6..- Semiconductores. El Diodo
1.4. CONDUCTORES Y SEMICONDUCTORES
Ya sabemos lo que son cuerpos conductores y aislantes por su mucha
conductividad o por su mucha resistividad al paso de la corriente.
Figura 6.3. Sección de átomo
Los materiales aislantes son aquéllos en los que se precisa liberar una gran
cantidad de energía para provocar el paso de los electrones de la banda de
valencia a la banda de conducción.
 PAPEL, 40 a 100 KV./cm. de rigidez dieléctrica.
 MADERA, 30 a 60 KV./cm. de rigidez dieléctrica.
 MICA, 600 a 700 KV./cm. de rigidez dieléctrica.
 VIDRIO, 60 a 120 KV./cm. de rigidez dieléctrica.
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UD6.- Semiconductores. El Diodo
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1.4.1. SEMICONDUCTORES
Los semiconductores a temperatura de cero absoluto no tienen electrones
libres y se comportan como aislantes. Sin embargo, a temperatura ambiente
se consigue la suficiente energía para liberar electrones de la banda de
valencia a la de conducción. Los más conocidos y empleados son el germanio
y el silicio. Los semiconductores se caracterizan por tener cuatro electrones
en su última órbita, de manera que su estructura atómica esta formada por
enlaces covalentes (compartidos).
Los enlaces covalentes mantienen ligados los electrones de manera que tan
sólo es posible liberarlos mediante la aplicación de energía.
Un hueco es la ausencia de un electrón en la estructura de enlaces. En un
semiconductor puro o intrínseco todos los electrones forman parte de los
enlaces y la ausencia de uno de ellos provoca un hueco.
1.4.2. SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS
Se denomina así a los semiconductores puros en los cuales la totalidad de los
átomos son del mismo material semiconductor.
A temperatura ambiente se liberan electrones, dejando huecos en su lugar de
una forma aleatoria, ahora bien, si introducimos energía, provoca la ruptura
de más enlaces covalentes. Los electrones más próximos al polo positivo de
una pila, por ejemplo, son atraídos por éste y abandonarán su enlace. Los
electrones más próximos al negativo de la pila son repelidos y se dirigen a
través de los huecos al polo positivo.
El efecto resultante es que los electrones se dirigen hacia el polo positivo y
los HUECOS hacia el negativo. La corriente de un semiconductor está
formada por los dos tipos de flujos: el de electrones en un sentido y el de
huecos en sentido contrario.
Los dos flujos anteriormente citados estarían compuestos por portadores de
carga eléctrica, los electrones de negativas y los huecos, podemos
considerarlos para mejor entendimiento, de positiva.
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Unidad 6..- Semiconductores. El Diodo
1.4.2.1. SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS
Con el fin de aumentar la conductividad de los semiconductores denominados
extrínsecos impurificados o dopados, se les añaden impurezas, que no son
sino elementos de los grupos 3B ó 5B de la tabla de los elementos químicos.
Según el tipo de impureza con la que han sido dopados los semiconductores
se clasifican en tipo N o tipo P.
1.4.2.2. SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS TIPO N
Al sustituir dentro de la estructura de enlaces covalentes un átomo de silicio
por uno de arsénico que, como sabemos, tiene no 4 sino 5 electrones de
valencia, queda un electrón libre dentro del conglomerado, que a temperatura
de cero absoluto se sitúa en un nivel discreto de energía muy próximo a la
banda de conducción. Para liberarlo hace falta muy poca energía, de manera
que a temperatura ambiente pasa a la banda de conducción.
 GRUPO 5B
 ANTIMONIO Sb
 FÓSFORO P
 ARSÉNICO AS
Figura 6.4. Semiconductor tipo N
Al cristal así formado se le denomina semiconductor extrínseco de tipo N, y
las impurezas pentavalentes reciben el nombre de impurezas donadoras, por
la cualidad del cristal resultante de donar electrones.
La mayoría de portadores existentes en el semiconductor tipo N, son los
electrones que reciben el nombre de PORTADORES MAYORITARIOS.
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El número de huecos es muy reducido y se les denomina PORTADORES
MINORITARIOS.
Los portadores mayoritarios proceden de la ionización de las impurezas,
mientras que los minoritarios proceden siempre de la ruptura de enlaces
covalentes.
1.4.2.3. SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS TIPO P
Si a un semiconductor puro se le añaden impurezas del grupo 3B, como el
aluminio (Al), el galio (Ga), el boro (B) o el indio (In) que tienen tres electrones
de valencia se obtiene un semiconductor tipo P.
Aparece un HUECO en la estructura molecular del enlace que realizará la
misión junto con los otros huecos de ser los portadores mayoritarios de este
tipo de cristal. Los portadores mayoritarios proceden siempre de la ionización
de las impurezas, mientras que los portadores minoritarios se originan
siempre por la ruptura de los enlaces covalentes.
Aunque los dos cristales P y N tienen estructura eléctrica neutra, al tener
todos sus átomos el mismo número de electrones que de protones, se
acostumbra a decir que el cristal P es positivo y el N es negativo.
Al aplicar tensión a un semiconductor de tipo P cuyos portadores son los
huecos, el polo positivo de la fuente de alimentación inyecta huecos que
repelen a los portadores mayoritarios del cristal. Éstos se desplazan del polo
positivo al negativo de la fuente de alimentación, donde son absorbidos por el
negativo.
Figura 6.5. Semiconductor tipo P
También podemos decir que el positivo absorbe electrones que son
inyectados por el negativo y atraviesan el cristal a través de los huecos.
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Unidad 6..- Semiconductores. El Diodo
1.5. LA UNIÓN PN
Cuando verdaderamente se apreció la eficacia y utilización que tienen los
semiconductores fue cuando se unió físicamente, poniendo uno junto a otro,
dos semiconductores, uno P y otro N:
Zona de unión
N
P
Cristales
Figura 6.6. Unión PN
Donde verdaderamente ocurren los fenómenos es en la zona de unión, de la
que hablaremos en las próximas páginas, y que es el resultado de la conexión
de los dos cristales semiconductores.
1.5.1. LOS PORTADORES DE CARGA
Hemos hablado hace escasos momentos del efecto de introducir impurezas
en un semiconductor, obteniendo dos tipos de cristales:
Cristal P
Los huecos son los portadores mayoritarios, y proceden del grupo 3,
aceptadores. Los electrones son los portadores minoritarios y proceden de
rupturas accidentales de los enlaces covalentes.
-
-
-
aceptadores
-
-
huecos
-
-
-
semiconductor
Figura 6.7. Cristal P
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UD6.- Semiconductores. El Diodo
-
Electrónica Analógica
Cristal N
Los electrones son los portadores mayoritarios y proceden de la ionización de
las impurezas donadoras. Los huecos serán los portadores minoritarios y
proceden de la rotura de enlaces covalentes.
+
donadores
+
+
+
+
+
+
electrones
+
+
+
semiconductor
Figura 6.8. Cristal N
Lo más importante es entender que en un cristal tipo P abundan los huecos, y
en uno de tipo N, son los electrones la mayoría.
Por otra parte ha de quedar claro que ambos cristales son eléctricamente
neutros, es decir, existe el mismo número de electrones que de protones en la
estructura cristalina.
Los portadores minoritarios de cada clase en un determinado cristal producen
efectos despreciables y generalmente se desestiman en aplicaciones
prácticas.
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Unidad 6..- Semiconductores. El Diodo
1.5.2. ¿QUÉ OCURRE EN LA UNIÓN?
Como hemos comentado, ambos cristales son eléctricamente neutros, sólo
que en uno de ellos sobran electrones y en el otro huecos. Esta estructura
afecta únicamente a sus propiedades y comportamiento químico. Por ese
exceso de portadores de carga, cuando unimos los dos cristales comienzan a
ocurrir interesantes fenómenos eléctricos en la zona de unión, que
rápidamente pasaremos a analizar.
1.5.3. LA BARRERA DE POTENCIAL
¿Por qué ambos cristales son neutros si cada uno tiene exceso de una cosa?
Pues porque en el N, a cada electrón libre de carga negativa le corresponde
un ion donante, cuya carga es positiva. Asimismo, en un cristal P, a cada
hueco con carga positiva se le puede asociar un portador con carga negativa.
Es en la unión, cuando los electrones más fronterizos del cristal de tipo N se
ven atraídos por los huecos del cristal P y atraviesan la unión para
recombinarse.
N
Huecos
+
-
-
P
+
-
-
-
+
-
Electrones
Figura 6.9. Paso de portadores mayoritarios (electrones) del cristal N al P
La ausencia de esos electrones en el cristal N origina una ionización en el
cristal N, que se quedará cargado positivamente. El cristal P, como adquiere
esos electrones de carga negativa, se ionizada de carga negativa. Poco a
poco los electrones más próximos a la unión (ya no sólo los de la primera fila)
se irán pasando al cristal P para seguir recombinándose.
Como sabemos, las cargas de igual signo se repelen, de manera que los
electrones que se recombinan van calando cada vez más fuerte en el cristal
P, hasta que son capaces de rechazar a los que todavía quedan en el cristal
N.
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UD6.- Semiconductores. El Diodo
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Aunque su deseo de pasar es muy fuerte, llega un momento en el que esto es
imposible, estableciéndose un equilibrio que se traduce en la aparición de un
campo eléctrico asociado a la barrera que se opone a su flujo.
V
N
+
-
+
-
P
+
-
+
-
+
-
Electrones que ya
no pueden saltar y
son rechazados
Figura 6.10. Campo eléctrico asociado a la barrera
El potencial formado se denomina potencial de barrera, o potencial de
contacto, y oscila, según la temperatura, la unión y la naturaleza de los
cristales, entre 0,3 y 0,7 voltios.
Zona P
Zona N
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
Germanio 0,3V
Silicio 0,7V
V
Figura 6.11. Diferentes tensiones en la barrera
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Unidad 6..- Semiconductores. El Diodo
1.5.4. POLARIZACIÓN DE LA UNIÓN PN
Hemos comentado el equilibrio a que llega una unión PN. Los electrones del
cristal N no son capaces de "saltarla" por sí mismos, y la barrera se estabiliza.
La única manera de que esos electrones "salten" es mediante el aporte de
energía desde el exterior. Para, se les aplica una pequeña operación: se les
conecta una fuente de tensión externa. Con esto, que se llama "Polarización
de la unión PN", conseguimos unos nuevos efectos en la unión que vamos a
ver a continuación
1.5.4.1. POLARIZACIÓN DIRECTA
Es una de las formas de conectar la fuente de tensión a la unión. Se trata de
conectar el polo positivo de la pila al cristal P, y el negativo al cristal N.
Mostrar escritorio.scf
IF
P
N
Huecos
Electrones
VF
Figura 6.12. Polarización directa
En estas condiciones, el polo negativo de la pila suministra electrones al
cristal N (cuyos portadores mayoritarios son los electrones) y el positivo
inyecta huecos o recoge electrones del cristal P.
De esta forma, los electrones existentes en el cristal N se ven repelidos con la
suficiente fuerza como para saltar la barrera y alcanzar los huecos del cristal
P.
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UD6.- Semiconductores. El Diodo
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En estas condiciones vemos que aparece una corriente eléctrica a través de
la unión PN, se trata de un circuito eléctrico cerrado, siendo así solamente
cuando el potencial de la polarización exterior alcance y supere el potencial
de la unión. Así, por ejemplo, una unión PN de Silicio (0,7 V de tensión de
barrera) polarizado directamente permitirá el paso de la intensidad de
corriente al aplicarle una batería de más de 0,7 V. En caso contrario no
existirá intensidad
Podemos dibujar el circuito de prueba:
Tensión variable
de 0V a 12V.
+
V12V
P
R
V
Lectura en
amperimetro.
N
+
A
Figura 6.13. Conducción en polarización directa
Para ver los efectos de la tensión, se va variando el valor de la resistencia R,
lo que implica una variación de la tensión aplicada a la unión PN de 0V a 12
V, y realizando lecturas en el amperímetro. Como ya adivinará, existe un
intervalo de tensión donde prácticamente no tendremos corriente. La curva
quedará como sigue:
I F (m A)
IF
0,7V
VF (V)
Figura 6.14. Gráfica tensión/corriente
Representamos la corriente directa (Forward Courrent, IF) y la tensión directa
(Forward Voltage). Se aprecia un aumento muy grande de la corriente a partir
de 0,7V, siendo muy pequeña en intervalos anteriores.
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Unidad 6..- Semiconductores. El Diodo
1.5.4.2. POLARIZACIÓN INVERSA
Si colocamos el polo positivo de la pila al lado N y el polo negativo al lado P,
la unión queda polarizada inversamente.
Huecos
Electrones
P
N
Figura 6.15. Polarización inversa
En esta conexión, el polo positivo de la pila absorbe los electrones existentes
en el lado N, y el polo negativo absorbe los huecos del lado P. Puede
considerarse como un retirada o aniquilación de los portadores mayoritarios
conseguidos de antemano en cada cristal.
El hecho es que se ha producido un ensanchamiento de la barrera de
potencial, que en la práctica alcanza el mismo valor que el de la batería, en
estas condiciones es muy difícil, por no decir imposible, saltarla, y la corriente
es nula, comportándose la unión como un circuito abierto.
Si por efecto de la temperatura se genera algún portador minoritario
(electrones en el cristal P o huecos en el N), se ve repelido por el polo de la
pila de carga eléctrica de igual signo, saltando la barrera para ser absorbido
por el polo contrario. Así puede crearse una pequeña corriente que se suele
denominar corriente de fugas o corriente inversa de saturación.
La corriente de fugas es un parámetro indeseable pues si lo que realmente
queremos es cortar una corriente, cuantos menos electrones se cuelen,
mejor. Por eso en semiconductores se suele emplear más el material silicio
que el germanio, pues este último es más sensible a la temperatura y permite
el paso de más corriente de fugas en polarización inversa.
Y en cuanto a la resistencia de la unión, ¿es tan potente como para no
permitir el paso de corriente en ninguna circunstancia? ¿Nada ni nadie puede
romperla? La unión PN polarizada inversamente tiene un límite, y puede
romperse si el potencial aplicado aumenta mucho, produciéndose un efecto al
que han bautizado de forma muy acertada: se trata del efecto avalancha.
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UD6.- Semiconductores. El Diodo
Electrónica Analógica
Al aplicar mucha energía con el potencial de la pila, los portadores
minoritarios (electrones en el cristal P) pueden acelerarse y chocar con otros
átomos, rompiendo los enlaces y originando otros portadores que, a su vez,
destruyen nuevos enlaces. Las matemáticas son muy indicativas en este tipo
de progresiones, de tal manera que en un momento puede destruirse la unión
y producirse una corriente de polarización inversa. En este caso ya no hay
marcha atrás, despidiéndonos para siempre de la unión PN, a la que hemos
torturado tan impunemente.
Podemos imaginar el circuito eléctrico de polarización inversa como una
máquina de torturas para la unión PN y obtener la nueva respuesta:
tensión variable
de 0V a VR
+ V
VR
N
lectura en
am perím etro.
P
+ A
R
VR
C ircuito.
tensión de ruptura
C urva de respuesta
IR
Figura 6.16. Corrientes en polarización inversa
Siguiendo con términos muy apropiados, se llama tensión de ruptura a la que
produce la destrucción de la unión, parámetro muy importante y a tener en
cuenta cuando vayamos a un comercio a comprar un semiconductor.
Hasta aquí hemos visto la filosofía y teoría de funcionamiento de los
semiconductores, su forma de actuar y sus posibilidades. A continuación
estudiaremos los componentes electrónicos que se construyen empleando
esta tecnología.
19
Unidad 6..- Semiconductores. El Diodo
1.6. EL DIODO SEMICONDUCTOR
El diodo semiconductor es el componente electrónico basado en
semiconductores más sencillo. Su aspecto externo depende de las
características del mismo, aunque generalmente los más vistos tienen forma
cilíndrica negra con una franja blanca en un extremo.
banda
blanca
A
terminales
de conexión
metálicos
símbolo
eléctrico
A
K
cuerpo
K
Figura 6.17. El diodo (su forma externa)
Figura 6.18. Diodos normales
Figura 6.19. Diodos de potencia
Su constitución interna es una unión PN simple encapsulada, con dos
electrodos que se unen a los terminales de conexión. En la siguiente figura
aparecerá gráficamente con su símbolo representativo para los circuitos.
Ánodo (A)
P
N
(A)
(K)
Figura 6.20. Representación del diodo
20
UD6.- Semiconductores. El Diodo
Cátodo (K)
Electrónica Analógica
Los nombres que reciben los terminales son ánodo y cátodo. Como ya
conocemos el funcionamiento de una unión PN, podemos intuir para qué va a
servir el diodo y además resaltamos la importancia de diferenciar los
terminales y la conexión del diodo.
1.6.1. CURVAS CARACTERÍSTICAS
Sumergiendo un diodo en un circuito eléctrico, nos aparecen dos formas o
resultados de polarización: inversa y directa, dependiendo de qué polos sean
conectados a qué terminales. Con los mismos montajes que usamos para
obtener las curvas características podemos probar el diodo.
Polarización directa.
+
V
Polarización inversa.
-
+
+
V
-
-
+
A
A
IF
Polarización
directa
conducción
V. ruptura
VR
VF
0,7V
I. fugas
Polarización
inversa
IR
Figura 6.21. Curva característica del diodo
Como resumen de funcionamiento hay que decir que un diodo se asemeja a
una válvula unidireccional, de tal manera que permite el paso de corriente
cuando se encuentra directamente polarizado, quedándose con la tensión
directa de polarización (siempre a tener en cuenta), y no permite el paso
cuando se encuentra inversamente polarizado. En este caso, se comporta
como un interruptor abierto.
21
Unidad 6..- Semiconductores. El Diodo
En circuitos de aplicación los diodos polarizados directamente deben tener
una resistencia limitadora para su protección, pues una excesiva corriente
directa también puede destruirlos. Vamos a ver esto con un ejemplo.
Imaginemos un diodo polarizado directamente con una batería de 12 Voltios.
A
12V
I
K
Figura 6.22. Diodo directamente polarizado
El equivalente de este circuito será el siguiente:
diodo
r
12V
I
Vo
Figura 6.23. Circuito equivalente de un diodo directamente polarizado
Donde Vo representa la tensión directa de polarización y r la resistencia
interna que presenta la unión PN por construcción, denominada resistencia
dinámica.
Si realizamos un cálculo de intensidad tenemos:
I=
12V  Vo 12  0,7 11,3V


r
r
r
Debido a que la resistencia dinámica es muy pequeña, la intensidad puede
ser de varios amperios, valor sin importancia en cálculos teóricos, pero que
en montajes prácticos puede llevar a destruir la unión y a los terminales por la
potencia disipada en su interior, siempre convertida en calor. Por ello los
fabricantes aconsejan una corriente máxima de polarización directa, que no
se puede sobrepasar, so pena de mal funcionamiento del diodo e incluso su
destrucción.
22
UD6.- Semiconductores. El Diodo
Electrónica Analógica
Por ejemplo, si un diodo tiene una intensidad directa máxima de 100 mA,
tenemos que añadir resistencias limitadoras de alto valor, que al compararlas
con la dinámica del diodo, lleven a despreciar ésta, mucho más pequeña. Así,
el circuito quedaría:
12V = I·R + Vdiodo
I
12V = R·I + 0,7
12V
R
+
Diodo
12 - 0,7
R
-
0,7V
I=
Para hacer circular una corriente de 50 mA, por ejemplo (funcionamiento
normal del diodo del ejemplo), deberíamos colocar una resistencia de:
50 mA=
11,3
R
R=
11,3
50 mA
= 226
La polarización inversa no suele dar muchos problemas, teniendo o no
resistencia limitadora. Si conectamos el diodo del ejercicio anterior de manera
inversa, tenemos el siguiente circuito, su equivalente en la práctica:
I fugas
R
12V
Equivale en la
práctica a
+
I=0
12V
+
-
-
Diodo
R
Figura 6.24. Diodo inversamente polarizado y circuito equivalente
Si aumentamos el valor de la tensión de polarización hasta el valor de ruptura,
que también lo da el fabricante (por ejemplo 100 V para el diodo del ejemplo)
el circuito quedará, en equivalencias, así:
23
Unidad 6..- Semiconductores. El Diodo
Diodo
I
R
V
Diodo con la
unión destruida
Figura 6.25. Circuito equivalente de un diodo inversamente polarizado con la unión
destruida
La corriente sería  I =
V
R
Acuérdese siempre del asunto de la polarización y del efecto de conducción o
no conducción. Es el secreto de la potencia de los diodos.
1.6.2. PARÁMETROS IMPORTANTES
Todos los componentes electrónicos, como todas las cosas, tienen unos
parámetros importantes que indican sus características, cuál es mejor que
otro y cuál podemos utilizar en una determinada aplicación. Éstos son:
Tensión directa umbral
Tiene un valor de 0,7 V en silicio, y 0,3 en germanio
Corriente inversa
Generalmente suele ser despreciable aunque conviene observar que no es
muy grande.
Corriente directa
Es la que soporta el diodo en conducción.
Tensión inversa máxima
Valor muy importante en aplicaciones en las que el diodo soporta a intervalos
tensiones inversas.
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UD6.- Semiconductores. El Diodo
Electrónica Analógica
1.6.3. TIPOS DE DIODOS
Dicen que cada uno cuenta la historia según como le ha ido. En electrónica
existen miles de componentes con sus características específicas para cada
aplicación, aunque, por supuesto, en la práctica el uso se reduce a un par de
tipos, más aún en el caso de unos componentes como los diodos.
En general los que más se usan son los "diodos rectificadores", llamados así
porque se usan mucho en labores de rectificación. Pero pedir en un comercio
un diodo rectificador es como presentarse en un concesionario de coches y
decir "quiero un diesel". Dentro de este abanico existen muchos modelos y en
concreto el más empleado es el diodo rectificador 1N4007, fabricado por
varias empresas de componentes. Como puede ver, nos hemos acercado
más al modelo de diesel deseado. Esa marca identifica completamente al
componente y suele ir rotulada en el cuerpo físico del diodo.
Figura 6.26. Diodo comercial 1N4007
Otro diodo de gran utilización en montajes electrónicos es el 1N4148, tiene
una fabricación más cuidada y mejor respuesta a frecuencias elevadas, pero
unas características de tensión inversa y corriente directa más reducidas.
Para completar este repaso a los tipos de diodos comerciales vamos a poner
a prueba su resistencia, mostrándole un ejemplo de características de diodos
tal y como se muestran en los catálogos o "handbooks" de los fabricantes.
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Unidad 6..- Semiconductores. El Diodo
Así pues un fabricante nos proporciona un catálogo donde podemos ver:
Designación de
componente
VR Max (V)
IF (A)
Tiempo de
conmutación (ns)
Ptot.(W)
VF max (V)
a IF (mA)
1N4148
75
0,15
4
0,1
1 a 10
La verdad es que aparentemente es un poco difícil de comprender; el secreto
consiste en "traducir" el significado de las siglas e indicaciones. Así, VR Max
(V) indica tensión inversa máxima en voltios. Como podemos ver es 75 V. La
IF representa la corriente directa máxima en A, el tiempo de conmutación en
nanosegundos aparece debido a que el 1N4148 es un diodo de señal que se
utiliza con señales de frecuencia elevada y debe responder a esos cambios
rápidos de nivel. La potencia total (Ptot en vatios) que puede soportar la
cápsula, y por último, VF máx. (V) a IF (mA) es la tensión directa máxima en
voltios a una determinada corriente directa en mA.
Otro caso se nos puede presentar como sigue:
Designación de
componente
VR Max (V)
IF (A)
Tiempo de
conmutación
(ns)
Ptot.(W)
VF max (V) a IF
(mA)
1N4007
1000
1
1,1 a 10
5
D015
La tensión inversa se denomina aquí VRRM .Vemos que es sensiblemente
superior a la del 1N4148, al igual que la IF (intensidad directa). Comprobamos
también la IR (componente de fugas) a VRRM (1000V) viendo que es de sólo
5A. El encapsulado, D015, indica la forma de la cápsula de una manera
normalizada, tanto en medidas como en colores. Como ve, para nada indica
algo acerca de los tiempos de conmutación. Con estos valores de VRRM e IF,
el tiempo de conmutación de un diodo 1N4007 sería mucho mayor que el de
1N4148. Además, ¿no hemos dicho que el experto en conmutación es el
1N4148?
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UD6.- Semiconductores. El Diodo
Electrónica Analógica
.034
.028
(.86)
(.71)
1.0 (25.4)
MIN
.205
.160
(5.2)
(4.1)
.107
.080
(2.7)
(2.0)
1.0 (25.4)
MIN
Figura 6.27. Medidas normalizadas de un diodo 1N4007
Muy bueno a altas frecuencias.
1N4148
Baja corriente directa.
Alta tensión inversa.
1N4007
Malo a altas frecuencias.
Alta corriente directa.
Baja tensión inversa.
Bueno para rectificar
1.6.4. ALGUNAS APLICACIONES Y CIRCUITOS
Lo mejor para entender el funcionamiento de los diodos es atacar varios
ejemplos de aplicación. Veamos alguno.
I
Vcc
12V
VD
R
100K
VD1
D1
1N4007
VD2
D2
1N4007
VR
Figura 6.28. Diodos en serie
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Unidad 6..- Semiconductores. El Diodo
Aplicando la Ley de Ohm tenemos:
Vcc = VR + VD1 + VD2
VD1 + VD2 = VD; 0,7+0,7 = VD = 1,4 V
Como podemos ver, la tensión de diodos en serie se suma como si de
resistencias se tratase. Calculando la intensidad por el circuito tendremos:
Vcc = R·I + VD
I=
Vcc  VD 12  1,4 10,6


R
100K
100K
= 0,106 mA
Diodos en paralelo
Cuando se necesitan corrientes elevadas y se dispone de diodos que no las
soportan, es posible conectarlos en paralelo para que la corriente total se
reparta entre ellos.
I1
D1
I1 + I2 = I
I
I
I2
I1 = I2 < I
D2
Figura 6.29. Asociación de diodos en paralelo
El montaje, que a primera vista no tiene problemas, no puede funcionar en la
práctica debido a que resulta imposible que los diodos sean exactamente
iguales, por lo que uno de ellos entra en conducción antes que el otro,
provocando el bloqueo del que todavía no conduce.
Para resolver este problema, se debe situar una resistencia de pequeño valor
en serie con cada uno de los diodos. Así se compensa la escasa diferencia
que puede existir en cuanto a tensión de umbral, y hace posible la conducción
simultánea de ambos diodos.
<0,5 
D1
I1
I
I
I2 <0,5 
D2
Figura 6.30. Corrección con resistencias del circuito de la anterior figura para su
correcto funcionamiento
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UD6.- Semiconductores. El Diodo
Electrónica Analógica
Obtención de tensiones de referencia con diodos
En ocasiones es necesario disponer de una tensión fija, sobre todo en
circuitos eléctricos de precisión, para alimentar a una carga. Estas tensiones
por lo general son distintas a las que suministra la batería o fuente de
alimentación principal de nuestro circuito.
Si obtenemos esa tensión mediante un divisor resistivo, corremos el riesgo de
que pequeñas fluctuaciones de corriente varíen la tensión de alimentación.
Vamos a ver esto con un ejemplo.
Disponemos de una tensión de alimentación (una batería, por ejemplo, en un
vehículo) de 12 Vcc y deseamos alimentar un circuito electrónico (un cuenta
kilómetros) a 1,4 V y 5mA, tal como aparece en la figura siguiente:
+Vcc
12V
I2
R1
1,4V
I1
5mA
R2
Circuito
Figura 6.31. Circuito para obtener tensiones de referencia
Para conseguir esa tensión puede plantearse un divisor de esas
características iniciales, calculando las resistencias. Aplicando la Ley de Ohm
tenemos:
Vcc = VR1 + VR2
I2 = I1 + 5 mA
Si fijamos I1 (voluntariamente) a 10mA, tenemos que I2 = 15 mA
Y siguiendo con los cálculos:
Vcc = R1·I2 + R2·I1;
R2·I1 = VR2= 1,4 V deseados
Vcc= R1·I2+1,4V;
12= R1·I2+1,4V
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Unidad 6..- Semiconductores. El Diodo
R1 =
12  1,4 12  1,4

I2
15 mA
=706 ;
R2 =
VR2
1,4

I1
10 mA
= 140 
¿Cuál es el problema de este circuito? A pequeñas variaciones de la
corriente de consumo o incluso de la fuente de 12 V, la tensión de 1,4 se
desplazará de valor y peligrará el circuito. La solución es emplear diodos.
¿Se ha dado cuenta de que la tensión en bornas de un diodo no varía aun
con las condiciones anteriores? Dependiendo de la tensión a fijar pondremos
un determinado número de diodos, pudiendo combinar los rectificadores (0,7
V) con los de germanio (0,3V), para alcanzar tensiones de varios valores. El
circuito sería el siguiente:
Tensión a fijar 1,4V; Tensión directa diodos de Silicio 0,7V (1N4007).
Nº diodos =
1,4
= 2.
0,7
+ Vc c
12V
I2
R
5m A
1,4V
0,7V
Circ uito
I1
0,7V
Figura 6.32. Circuito para obtener las tensiones de referencia
Si fijamos I1 a 1 mA (por debajo de la corriente máxima directa):
Vcc= R·I2 + 1,4 V
I2 = I1 + 5 mA
Si I1= 1mA, I2 = 6 mA
R=
12  1,4
6 mA
= 1766 
Si la tensión a fijar fuera de 3,1 V, pondríamos 4 diodos de silicio de 0,7 V
(total 2,8 V) y uno de germanio de 0,3: 0,7+ 0,7 + 0,7 + 0,7 + 0,3 = 3,1V.
Lógicamente habrá tensiones muy extrañas que no podamos completar con
diodos, aunque, seguramente, las podremos aproximar.
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UD6.- Semiconductores. El Diodo
Electrónica Analógica
 RESUMEN
 Los materiales semiconductores, por su estructura y características, se
encuentran a medio camino entre los conductores (permiten el paso de la
corriente de forma fácil) y los aislantes (no permiten el paso de la
corriente).
 Los materiales semiconductores son de dos tipos llamados cristal N y
cristal P.
 En el cristal N, a base de silicio, se introducen materiales del grupo 5B,
apareciendo un electrón libre por cada átomo intercambiado. A esta
operación se le llama "dopado" del cristal N.
 En el cristal P, a base de silicio, se introducen materiales del grupo 3B,
apareciendo un "hueco" por cada átomo intercambiado. También hemos
"dopado" el cristal P.
 Se dice que los electrones son los portadores negativos del cristal N,
porque es de lo que más abunda en este tipo de cristal. En el cristal P
serán los huecos los portadores mayoritarios.
 Al unir físicamente un cristal P y un cristal N se producen unos fenómenos
en la zona de unión que determinan la aparición de una barrera de
potencial por el intercambio de portadores. Esta tensión suele ser de 0,7V.
 Un diodo semiconductor aprovecha las características de la unión PN para
conducir cuando se encuentra directamente polarizado, y no conducir
cuando se encuentra inversamente polarizado.
 La corriente de fugas se produce en un diodo inversamente polarizado. Le
afecta enormemente la temperatura y sus efectos son indeseables.
 Los diodos comerciales más conocidos son el 1N4148 y el 1N4007, uno
de germanio y el otro de Silicio, respectivamente.
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