Diodo
Diodos
semiconductores.
Un diodo es un dispositivo que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección. De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones, por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con muy pequeña resistencia eléctrica.
Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de convertir una corriente alterna en corriente continua.
Válvula de vacío.
Los primeros diodos eran válvulas o tubos de vacío, también llamadas válvulas termoiónicas constituidas por dos o más electrodos rodeados de vacío en un tubo de cristal, con un aspecto similar al de las lámparas incasdencentes. El invento fue realizado en 1904 por John Ambrose Fleming, de la empresa Marconi, basándose en observaciones realizadas por Thomas Alva Edison.
Al igual que las lámparas incandescentes, los tubos de vacío más sencillos tienen un filamento (el cátodo) a través del que circula la corriente, calentándolo por efecto Joule. El filamento está tratado con óxido de bario, de modo que al calentarse emite electrones al vacío circundante; electrones que son conducidos electrostáticamente hacia una placa metálica cargada positivamente (el ánodo), produciéndose así la conducción. Evidentemente, si el ánodo no se caliente, no podrá ceder electrones al vacío circundante, por lo que el paso de la corriente en sentido inverso se ve impedido.
Aunque estos diodos aún se emplean en ciertas aplicaciones especializadas, y aún han sentido cierto resurgir, la mayoría de los modernos diodos se basan en el uso de materiales semiconductores, especialmente en electrónica.
Diodo pn.
Los diodos pn son uniones de dos materiales semiconductores extrínsecos tipos p y n, por lo que también reciben la denominación de unión pn.
Formación
de la zona de carga espacial
La difusión de huecos del cristal p al n ( Jh ), y
Una corriente 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 deflexión, 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 cargas induce una diferencia de tensión (V) que actuará sobre los electrones con una determinada fuerza de desplazamiento que se opondrá a la difusión de huecos y a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.
Esta diferencia de tensión de equilibrio (V0) 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 de 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. Al extremo p, donde se acumulan cargas negativas se le denomina ánodo, representándose por la letra A, mientras que la zona n, el cátodo, se representa por la letra C (o K).
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A (p) |
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C ó K (n) |
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Representación simbólica del diodo pn. |
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Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización
inversa: Vp > Vn, o
directa: Vp < Vn.
Polarización inversa del diodo pn.
Polarización inversa.
En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p (la de menor tensión) lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y por tanto la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de 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.
Por efecto de la polarización inversa, las concentraciones de minoritarios - electrones en la zona p (np ), y huecos en la zona n (pn ) - disminuyen a medida que nos aproximamos a la unión desde los valores iniciales del diodo no polarizado hasta anularse.
Polarización directa del diodo pn.
Polarización directa.
En este caso, al contrario que en el anterior, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de las corrientes de electrones y huecos a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad.
Las concentraciones de conductores minoritarios, se incrementan desde los valores iniciales a medida que nos acercamos a la unión.
En la representación simbólica del diodo, la flecha indica el sentido de la polarización directa.
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Curva característica del diodo
Tensión
umbral, de codo o de partida (Vγ
).
La tensión umbral 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.
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. Es
función de la temperatura del material, admitiéndose
que se duplica por cada incremento de 10º en la temperatura.
Tensión de ruptura (Vr ). Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, el diodo conducirá la corriente inversa de saturación; en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión del orden de 5 V, el diodo comienza a conducir también en polarización inversa.
La ruptura puede 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 del diodo se puede producir por ambos efectos.
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 eléctrica y la diferencia de potencial es:
- Donde:
I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo y VD la diferencia de tensión entre sus extremos.
IS es la corriente de saturación
q es la carga del electrón
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 ºC.
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 modelizan 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.
![[Enciclopedia Libre Universal en Español]](Diodo_fitxers/vitruvio.jpg)