UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE BAJA CALIFORNIA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS E INGENIERÍA UNIDAD ACADÉMICA OTAY RESUMEN Unidad I Angel Humberto Corral Domínguez Miguel Angel Rosas Ocampo 1263582 TIJUANA, BAJA CALIFORNIA, MÉXICO. 21 de octubre del 2020. INTRODUCCIÓN A LA TEORÍA DEL DIODO Figura 1.1 El diodo y su representación en diagramas El diodo (figura 1.1) es un componente electrónico que consta de 2 terminales, el ánodo y el cátodo, su principal característica es que sólo permite el paso de la corriente por en un solo sentido, convierti´rndolo en un elemento ideal para rectificar ondas, ya sea en media onda o en onda completa, también existen muchas variantes del diodo, como lo son el diodo Zener, el diodo led, el diodo varicap, entre otros muchos más. Pero, ¿De qué está hecho el diodo? Antes de descubrir de qué materiales está conformado el diodo, debemos de tener claro un concepto muy importante, y ese es el concepto de un material semiconductor, para eso debemos de introducirnos en la estructura atómica de los átomos. Figura 1.2 Estructura atómica del átomo de litio Como se sabe, los átomos constan de 3 partículas llamadas, protón, electrón y neutrón, siendo los electrones nuestro principal interés, precisamente de ahí toma el nombre la electrónica, ya que en ella tratamos de manipular los electrones a nuestro favor, para que se comporten de una determinada manera, entonces, regresando a la estructura atómica de los elementos, sabemos que cada átomo tiene su propio número atómico, también sabemos que cuando un átomo tiene la misma cantidad de electrones y de protones, se encuentra cargado de manera neutra, pero existe una característica muy importante, esas son las capas donde orbitan los electrones ya que no todos se encuentran orbitando al mismo nivel, afortunadamente existe una fórmula matemática que nos proporciona cantidad de electrones que tendrá capa capa. Fórmula para saber la cantidad de electrones en cada capa: 𝟐𝒏𝟐 donde n es el número de capa Figura 1.3 Modelo atómico del germanio Sabemos que el elemento de germanio tiene 32 electrones, en la figura se aprecia que en su última capa (capa de valencia) tiene 4 electrones, pero hagámoslo analíticamente mediante la fórmula. capa 1: 2 (1)2 = 2 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠 2 electrones hasta el momento. capa 2: 2 (2)2 = 8 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠 10 electrones hasta el momento. capa 3: 2 (3)2 = 18 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠 28 electrones hasta el momento (nos faltan 4 electrones) capa 4: 2 (4)2 = 32 electrones En este caso sólo se necesitan 4 electrones. Como se aprecia, los cálculos matemáticos coinciden con la cantidad de electrones en la figura 1.3 Pues bien, la explicación anterior es para definir los materiales conductores, semiconductores y aislantes, existe una ley llamada, ley de Rydberg, la cual establece que los átomos en su última capa tendrán como máximo 8 electrones (en cada capa existen niveles de energía), teniendo presente esto, los materiales conductores, son aquellos que tengan en su última capa menos de 4 electrones, los materiales aislantes son aquellos que tengan más de 4 electrones en su última capa, y los materiales semiconductores son aquellos que tengan en su última capa 4 electrones, los materiales semiconductores poseen una propiedad muy particular, y es que dependiendo de las condiciones externas a las cuales se encuentre sometido, actuará ya sea como un conductor o como un aislante. Figura 1.4 Tabla que muestra materiales conductores, semiconductores y aislantes La información anterior nos servirá como base para dar a conocer la regla del octeto enunciada por Lewis en 1916, la que establece que los iones de los elementos tienen a completar en sus últimos niveles de energía en 8 electrones, entonces, si tenemos 2 átomos semiconductores y los juntamos (recordemos que un átomo semiconductor tiene en su última capa 4 electrones) entonces ellos harán lo que se conoce como enlace covalente, mediante este enlace ambos átomos se comparten sus últimos electrones, entonces si los 2 tienen 4 electrones y se los comparten mutuamente, al final lo que tenemos es que los 2 átomos tienen 8 electrones al mismo tiempo, y se cumple la regla del octeto, lo que quiere decir que también se vuelve un material aislante y no permitirá el paso de la corriente. Figura 1.5 Modelos atómicos del silicio y del germanio (semiconductores) Bien, si tenemos un arreglo de átomos de silicio, por ejemplo 1 en medio y otros 4 a los lados y se comparten mutuamente la cantidad necesaria para completar los 8 electrones, tendremos una red de átomos puros de sicilio, también llamado cristal puro de silicio, lo mismo sucedería en el caso del germanio, tendríamos una red pura de germanio, cuando tenemos un cristal puro de un átomo del tipo semiconductor, entonces tenemos materiales intrínsecos. Figura 1.6 Se muestra un cristal de silicio (intrínseco) Pero, ¿Qué es lo que sucedería si no formamos arreglos de cristales puros? en otras palabras, mezclar átomos semiconductores, con átomos aislantes o conductores y formar arreglos de cristales, pues bien, a esto es a lo que se le conocen como materiales extrínsecos, existen de 2 tipos; cuando juntamos un semiconductor junto con un material conductor, recordemos que los conductores tienen menos de 4 electrones, entonces al juntar un semiconductor (4 electrones) con un material conductor (trivalentes) no se podría llegar a la regla del octeto, esto va a originar en el cristal que existan espacios vacíos, porque faltaría 1 electrón por cada átomo tipo semiconductor junto a uno conductor, por lo tanto a estos lugares faltantes, les llamaremos hueco, a estos arreglos de materiales extrínsecos los llamaremos, semiconductores tipo P. por otra parte, cuando la unión sea entre un semiconductor (4 electrones) y un aislante (pentavalentes) lo que va a pasar es justo el caso contrario, en vez de faltar un espacio, va a sobrar un electrón por cada unión de un semiconductor y un aislante, a este semiconductor lo vamos a llamar semiconductor tipo N, a ambos procesos se le conoce como dopaje. Figura 1.7 Semiconductores tipo N y tipo P Aquí tenemos por un lado (tipo N) un material que es capaz de donar electrones y por el otro lado (tipo P) un material que es capaz de aceptar electrones, ahora ya podemos responder la pregunta: ¿De qué está hecho un diodo? Un diodo tiene por dentro por una parte un semiconductor tipo P y un semiconductor tipo N, llamandose a esto como unión PN, siendo está una de las características más especial del diodo, si al terminal P (ánodo) lo conectamos al lado positivo de una fuente, este permitira el paso de la corriente, pero si giramos el diodo, quedando la terminal P (ánodo) conectado al polo negativo de la fuente y la terminal N (cátodo) conectado a la terminal positiva de la fuente, el diodo no dejará fluir el paso de la corriente. De cierta manera podemos decir que un diodo funciona como un interruptor, si el ánodo (terminal P) se encuentra conectado al lado positivo de la fuente, se dice que el diodo se encuentra en polarización directa, pero si giramos el diodo, dejando conectado el cátodo (terminal N) al lado positivo de la fuente y el ánodo (terminal tipo P), se dice que el diodo estará en polarización inversa. Figura 1.8 Polarización inversa y directa del diodo El comportamiento del diodo no es lineal, tiene una gráfica muy peculiar, la cual se puede obtener mediante la ecuación de Shockley Figura 1.9 Curva característica del diodo Como se observa, existe un voltaje de ruptura, precisamente existe un diodo diseñado para funcionar con la polarización inversa, y ese es el diodo zener, a diferencia del diodo rectificador, el funcionamiento de la polarización directa no nos interesa tanto, sino la polarización inversa, el diodo zener puede servir como un regulador de voltaje para ciertas tensiones y resistencia de carga, es decir, con un diodo zener se puede conseguir que un componente le llegue siempre la misma tensión. también puede funcionar como un elemento de protección, es importante escoger el diseño adecuado del diodo zener para la x cantidad que se requiera. Figura 2.0 Circuito regulador con diodo zener Otros tipos de diodos son los diodos LED, del inglés light emitting diode (diodo emisor de luz) posiblemente estos son los diodos más populares por su particularidad de la emisión de luz, tiene exactamente el mismo comportamiento que el diodo rectificador en cuanto a la polarización directa e inversa, el diodo LED sólo emite luz cuando deja pasar la corriente, este diodo tiene una apariencia diferente al diodo zener y al rectificador, existen 4 formas de saber cuál es el ánodo y cuál es el cátodo, mirando las patillas, o mirando el interior del encapsulado, a través del encapsulado ya que de un lado es plano, si estás posibilidades no son accesibles, entonces con el uso de un multimetro. Figura 2.1 las características de un LED Los diodos LED’S son altamente usados en la industria, por ejemplo, en un control remoto hay un diodo de este tipo que emite luz infraroja (no visible para el ojo humano), actualmente también se utilizan los focos LED que sustituyen los convencionales por la cantidad que puede ahorrar, existen en distintos colores, incluso hay estos tipos de diodos con color RGB que permite emitir distintas variedades de colores por la combinación de estos colores. Figura 2.2 Cálculos para obtener los valores de la resistencia y de watts
