EL DIODO DE UNIÓN O DIODO P-N

EL DIODO DE UNIÓN O DIODO P-N

ESTRUCTURA DE UN ELEMENTO SEMICONDUCTOR

Diodos semiconductores de silicio de diferentes tipos y.tamaños, identificados en el circuito impreso de este.dispositivo electrónico con las letras “D” (para diodos con.funciones diferentes) y “DZ” (para el diodo Zener).

Un diodo semiconductor de estado sólido consta de dos partes, formadas por cristales de silicio (Si) de diferente polaridad. Un cristal de silicio en estado puro constituye un elemento químico tetravalente por estar compuesto por átomos de valencia +4, pero para obtener dos cristales semiconductores de polaridad diferente es necesario “doparlos” durante el proceso de producción del diodo, añadiéndole a la estructura molecular de cada uno de esos cristales cierta cantidad de impurezas pertenecientes a átomos de otros elementos químicos (también semiconductores), pero de valencias diferentes para cada una de las partes que formarán el diodo, con sus correspondientes polaridades. Para fabricar un diodo, primeramente uno de los cristales de silicio se dopa añadiéndole, como impureza, un elemento químico de valencia +3 (trivalente) como el galio (Ga), por ejemplo. Al final del proceso se obtiene un semiconductor “tipo-p”, con polaridad positiva (P), que presentará defecto o falta de electrones en la última órbita de los átomos de galio añadidos como impurezas. En esas órbitas se formarán “huecos” en aquellos lugares que debían estar ocupados por los electrones faltantes. A continuación, el otro cristal de silicio, que inicialmente es igual al empleado en el proceso anterior, se dopa también durante el proceso de fabricación del diodo, pero añadiéndole esta vez impurezas pertenecientes a átomos de otro elemento químico también semiconductor, pero de valencia +5 (pentavalente) como, por ejemplo, antimonio (Sb). Una vez finalizado este otro proceso de dopado se obtiene un semiconductor “tipo-n”, con polaridad negativa (N), caracterizado por presentar exceso de electrones libres en la última órbita de los átomos de antimonio  añadidos  como  impurezas.

Representación gráfica de dos elementos semiconductores de cristal de silicio (Si), simplificados de.forma esquemática. A.- Semiconductor de silicio de conducción “tipo-p”, o  sea, de  polaridad  positiva.(P). En su estructura molecular se puede observar que en los lugares que debían ocupar  los  electrones.lo que encontramos son “huecos”. Cuando conectamos una batería a los extremos de un cristal semiconductor positivo, se establece un.flujo de “huecos” en sentido opuesto al flujo de electrones que proporciona la fuente de energía eléctrica..En la ilustración se puede observar también que mientras el flujo de electrones  o  corriente  electrónica.se establece del polo negativo al polo positivo de la batería, el flujo de “huecos”, por el contrario, se.establece en el sentido inverso a través del cristal de silicio. B.- Semiconductor  de  silicio  de  conducción  “tipo-n”,  de  polaridad  negativa  (N),  con  exceso  de.electrones libres en su estructura molecular. Si a este tipo de  semiconductor  negativo  le  conectamos.una batería, el flujo electrónico se establecerá en el mismo sentido de circulación de la propia fuente de.suministro eléctrico, o sea, del polo negativo al polo positivo. FORMACIÓN DE UN DIODO DE SILICIO DE UNIÓN "p-n" En el mismo momento que un cristal semiconductor de silicio (Si) de conducción “tipo-p” (positivo) se pone en contacto con otro cristal semiconductor también de silicio, pero de conducción “tipo-n”(negativo), se crea un diodo de empalme o de unión “p-n”. Si al diodo así formado le conectamos una fuente de corriente eléctrica, éste reacciona de forma diferente a como ocurre con cada una de las dos partes semiconductoras por separado, tal como se pudo ver en el ejemplo anterior. Representación gráfica de las dos  partes  que  componen.un diodo de silicio de unión p-n: a la izquierda la parte.positiva (P) y a la derecha la negativa (N). En la ilustración.se puede apreciar la “zona de deplexión” que se forma.alrededor del punto donde se unen los dos cristales.semiconductores de diferente polaridad. El punto de unión.p-n de los dos cristales se denomina “barrera de potencial.del diodo”. En el punto de unión p-n de las dos piezas semiconductoras de diferente polaridad que forman el diodo, se crea una “barrera de potencial”, cuya misión es impedir que los electrones libres concentrados en la parte negativa salten a la parte positiva para unirse con los huecos presentes en esa parte del semiconductor. Hasta tanto los electrones no alcancen el nivel de energía necesario que le debe suministrar una fuente de energía externa conectada a los dos extremos del diodo, no podrán atravesar esa barrera. Por otra parte, a ambos lados de la barrera de potencial se forma una “zona de deplexión” (también llamada zona de agotamiento, de vaciado, de carga espacial o de despoblación). Esa es una zona o región aislada, libre de portadores energéticos, que se origina alrededor del punto de unión de los dos materiales semiconductores dopados de diferente forma y que poseen también polaridades diferentes. La función de la “zona de deplexión” es alejar a los portadores de carga energética (electrones) del punto de unión p-n cuando el diodo no se encuentra energizado con la tensión o voltaje suficiente, o cuando se energiza con una tensión o voltaje inverso. El efecto que se crea al unir simplemente un cristal semiconductor de silicio tipo-p con otro de tipo-n, equivale a tener conectada una batería o fuente de suministro de energía imaginaria en los extremos del diodo. Bajo esas circunstancias la “zona de deplexión” que se crea a ambos lados de la unión p-n obliga a los huecos o agujeros de la parte positiva (P) alejarse de ese punto de empalme o unión, mientras que los electrones en exceso en la parte negativa (N) reaccionan de igual forma alejándose también del propio punto, hasta tanto no adquieran la energía suficiente que les permita atravesar la barrera de potencial. Para que los electrones en exceso en el semiconductor con polaridad negativa (N) puedan atravesar la barrera de potencial del diodo y saltar a la parte positiva y “llenar” los huecos, es necesario energizarlos suministrándoles una corriente eléctrica o diferencia de potencial en los extremos del diodo, por medio de una batería o cualquier otra fuente de fuerza electromotriz. Cuando la tensión aplicada al diodo de silicio alcanza 0,7 volt, el tamaño de la zona de deplexión se reduce por completo y los electrones en la parte negativa adquieren la carga energética necesaria que les permite atravesar la barrera de potencial. A diferencia de los diodos de silicio (Si), los de germanio (Ge) sólo requieren 0,3 volt de polarización directa para que la zona de deplexión se reduzca y los electrones adquieran la carga energética que requieren para poder atravesar la barrera de potencial. En la parte de arriba de esta ilustración aparece el símbolo general.utilizado para identificar un diodo semiconductor común y abajo el.aspecto físico externo que presentan la mayoría de los diodos de.silicio. Como se puede observar en ambas ilustraciones, el ánodo“A” constituye la parte positiva y el cátodo “K” la negativa. En un diodo real, el extremo correspondiente al cátodo se identifica por.medio de una marca o anillo color plata impreso junto al terminal.negativo de conexión al circuito eléctrico.

POLARIZACIÓN DEL DIODO

Diodo polarizado directamente Los diodos semiconductores, al igual que ocurría con las antiguas válvulas termoiónicas, actúan de forma similar al funcionamiento de una válvula hidráulica del tipo antirretorno.

Válvula antirretorno. La flecha estampada en su cuerpo metálico.indica el único sentido en que puede circular el fluido cuando se.conecta a un circuito hidráulico. Arriba la flecha azul identificada.como “A” señala el sentido de circulación permitido. Abajo la.flecha  roja  identificada  como  “B”  muestra  que  si  el  fluido.  hidráulico una vez que ha pasado a la parte izquierda de la válvula.intenta ir hacia atrás por el mismo camino, no podrá hacerlo porque.en ese sentido contrario al normal se encontrará bloqueada la.entrada de la válvula.

 

Cuando se instala una válvula antirretorno en un circuito hidráulico, el fluido sólo puede circular en un sentido, porque se bloquea en sentido inverso, ya que en ese caso su mecanismo interno se cierra automáticamente. De forma similar, para que la corriente eléctrica pueda fluir a través de un diodo, es necesario polarizarlo “directamente”. Para ello el polo negativo (–) de la batería o fuente de fuerza electromotriz se conecta al cátodo “K” o parte negativa (N) del diodo, mientras que el polo positivo (+) de la propia batería se conecta al ánodo “A” o parte positiva (P) del propio diodo.

En la parte superior de esta figura se representa el esquema de un.diodo energizado en “polarización directa”. Como se puede.observar, el polo negativo (–) de la batería se encuentra conectado.al cátodo “K” y el polo positivo (+) al ánodo “A” del diodo. Esta.conexión permite que la corriente de electrones que suministra la.batería  o  fuente  de  fuerza  electromotriz  pueda  circular  en  el.sentido que indican las flechas. En la parte de abajo  de  la  figura,.se  muestra  un  símil  hidráulico,  que  emplea  una  “válvula.antirretorno” con el paso abierto para que el fluido hidráulico pueda.así circular. Se puede observar que el fluido (representado por las.flechas de color rojo) atraviesa la válvula circulando  en  el  sentido.en el que la bola que sirve de compuerta a la válvula se abre. Así,.una vez que la presión del propio fluido hidráulico vence la fuerza.que ejerce el muelle sobre la bola, ésta cede y el líquido puede fluir.libremente. De forma similar en el circuito eléctrico de un diodo.polarizado de  forma  directa,  la  corriente  también  puede  fluir  a.través de mismo en un solo sentido.

Cuando polarizamos un diodo de forma directa, el polo positivo de la batería rechaza los huecos o agujeros contenidos en la región "P" (ánodo del diodo), y los obliga a dirigirse al empalme "p-n". En esas condiciones, la “zona de deplexión” se reduce por completo, por lo que los electrones en exceso en el material negativo o cátodo adquieren la suficiente energía como para poder atravesar la barrera de potencial existente en el empalme "p-n". De esa forma los electrones penetran en la región "P" de la parte positiva del diodo para combinarse ahí con los huecos o agujeros. Al mismo tiempo la atracción que ejerce el polo positivo de la batería sobre los electrones (negativos) provoca que estos salten o se desplacen de hueco en hueco a través de esa mitad del diodo y recorran toda la región semiconductora "P". Así, los electrones que cede la batería o fuente de energía eléctrica a partir de su polo negativo (–), retornan a su polo positivo (+) después de atravesar el diodo. De esa manera se restablece el equilibrio electrónico interno de la propia batería, el cual se ve continuamente alterado durante todo el tiempo que se encuentre conectada al circuito cediendo electrones a la región “N” del diodo.

En la ilustración “A” se puede ver un circuito electrónico formado por un diodo de silicio (1), una pila o.batería (2), una lámpara LED en función de consumidor (3), un interruptor (4) y un miliamperímetro (5)..Como todavía el circuito se encuentra abierto (no se ha accionado el interruptor), la corriente eléctrica no.circula. En la ilustración "B" se ha accionado el interruptor y, de acuerdo con polaridad de la batería, el.diodo se polariza de forma directa permitiendo el paso de la corriente a través del circuito, por lo que la.lámpara LED se enciende y la aguja del miliamperímetro se mueve indicando que la corriente eléctrica.está circulando. En la ilustración “C” se ha cambiado la conexión de la batería en el  circuito, por  tanto.la polaridad también queda invertida. En esta ocasión, aunque el interruptor se accione, se puede.observar que la lámpara LED no se enciende y la aguja del miliamperímetro no muestra circulación de.corriente eléctrica alguna (se mantiene indicando “0” mA), pues al haberse cambiado la polaridad de la.batería el diodo se polariza de forma inversa impidiendo que la corriente eléctrica circule por el circuito..El efecto que se obtiene es el mismo que si no se hubiera accionado el interruptor.

En resumen, el movimiento de los electrones desplazándose desde la parte negativa del diodo para recombinarse con los huecos en la parte positiva después de atravesar el empalme "p-n" o barrera de potencial, permite que la corriente electrónica fluya a través del mismo, siempre y cuando se encuentre polarizado directamente. Si bajo esas condiciones conectamos un miliamperímetro y un consumidor al circuito del diodo, se podrá apreciar que el instrumento de medición registra la circulación de corriente eléctrica. Diodo polarizado inversamente

En la parte de arriba de esta figura se  representa  el  esquema  de.un diodo energizado en “polarización inversa”. Como se puede.observar, el polo positivo de la batería se encuentra conectado al.cátodo “K” y el polo negativo al ánodo “A”. Esta conexión impide que la corriente de electrones que suministra.la batería u otra fuente de fuerza electromotriz pueda circular en el.sentido que indican las flechas y atravesar el diodo, por lo  que  no..se puede completar el circuito eléctrico. En la parte de abajo de la ilustración se muestra el esquema de.una  “válvula  hidráulica  antirretorno”  cerrada.  Aquí  se  puede.observar que el  fluido  hidráulico  (representado  por  la  flecha  de.color  rojo)  no  puede  atravesar  la  válvula  si  intenta  circular en.sentido  inverso,  debido a la presión que ejerce  el  muelle  sobre la.

bola y la propia presión que ejerce también el fluido hidráulico sobre ésta, lo que provoca el cierre.completo de la abertura de entrada. De forma similar un diodo polarizado de forma inversa impide que la.corriente eléctrica pueda fluir en sentido contrario, por lo que no puede atravesarlo, ni completarse.tampoco la circulación de corriente a través del circuito.

MECANISMO DE FUNCIONAMIENTO DEL DIODO DE SILICIO (Si) Como ya se explicó anteriormente, en el punto de juntura o unión “p-n” de un semiconductor diodo de silicio se forma una “barrera de potencial” en la que los huecos de la parte positiva, por un lado, y los electrones de la parte negativa, por el otro, alcanzan un punto de equilibrio, creándose alrededor de dicha unión una “zona de deplexión” (conocida también como “zona de carga espacial”, “zona de agotamiento” o “zona de vaciado”), que impide que la corriente eléctrica fluya a través del diodo así formado. Cuando un diodo no se encuentra energizado, en el punto de unión o juntura “p-n” los huecos y los electrones se encuentran en estado de equilibrio. Por consiguiente, en ese punto los denominados“niveles de fermi” se emparejan o igualan a ambos lados de la unión. ¿QUÉ ES EL NIVEL DE FERMI?El “nivel de fermi” es un término empleado para describir la mayor concentración de niveles de energía que, teóricamente, pueden alcanzar los electrones a una temperatura, también teórica, de 0º K (cero grado Kelvin o “cero absoluto”). A dicha temperatura se supone que cesa completamente todo el movimiento electrónico en los átomos que componen las moléculas de un cuerpo cualquiera.En un semiconductor diodo sin energizar, el “nivel de fermi” se opone a que los electrones libres que se encuentran presentes en la parte negativa (N) puedan atravesar la barrera de potencial formada en el punto de unión “p-n”, lo que les impide saltar a la parte positiva (P) hasta tanto no reciban la suficiente carga energética que normalmente procede de una fuente de fuerza electromotriz externa, como una batería, por ejemplo. Una vez que los electrones reciban la energía necesaria podrán superar el “nivel de fermi” y atravesar la barrera de potencial para unirse a los huecos existentes en la parte positiva (P) del diodo. Un símil entre lo que ocurre con un semiconductor diodo sin energizar y el nivel de fermi sería algo así como tener sumergido en un mar cubierto de hielo un cuerpo cualquiera carente de la suficiente energía como para poder ascender, romper la capa de hielo y salir a la superficie. El nivel de fermi recibe ese nombre en honor al destacado físico italiano Enrico Fermi (Roma, Italia, 1901 – Chicago, EE.UU., 1954). Cuando la unión positiva-negativa “p-n” de un semiconductor diodo se encuentra en equilibrio por no encontrarse energizado, los “niveles de fermi” se igualan o emparejan a ambos lados de la unión. Bajo esas condiciones los electrones y los huecos alcanzan un equilibrio próximo a ese punto y a su alrededor se crea unazona de deplexión. Para que se pueda establecer un flujo electrónico a través del diodo, será necesario suministrarles energía a los electrones que se encuentran debajo de la línea del “nivel de fermi” para que se puedan mover hacia arriba y pasar a la“banda de conducción” y unirse a los huecos. POLARIZACIÓN DIRECTA DEL DIODO  Cuando un semiconductor diodo lo polarizamos de forma directa conectándole una fuente de fuerza electromotriz o suministro eléctrico (como una batería, por ejemplo), su lado“P” se vuelve más positivo, lo que ocasiona que se cree una diferencia en altura del “nivel de fermi” en la parte negativa del diodo. Esto facilita que los electrones libres en esa parte alcancen la “banda de conducción” y puedan atravesar la unión o juntura “p-n” pasando a llenar los “huecos” presentes al otro lado de la unión. De esa forma los electrones alcanzarán la banda de conducción, atravesarán la unión “p-n” y saltarán de un hueco a otro en la parte positiva (P) hasta concluir finalmente su recorrido en el polo positivo de la fuente de suministro eléctrico. La situación que se produce se puede interpretar como: electrones moviéndose en un sentido y huecos moviéndose en sentido opuesto. En la ilustración se puede apreciar que la dirección de conducción de los electrones se establece desde la parte derecha o negativa del diodo hacia su parte izquierda o positiva. El movimiento que se observa hacia arriba de los electrones para alcanzar la “banda de conducción”, viene dado por el incremento de energía que les suministra la batería o fuente de energía electromotriz conectada al diodo. Por tanto, en un diodo polarizado de forma directa, los electrones de la parte negativa (N) que han sido elevados a la banda de conducción, así como los que se han difundido a través de la unión “p-n”, poseen más energía que los huecos presentes en la parte positiva (P). De esa forma los electrones se combinan sin esfuerzo con esos huecos, estableciéndose un flujo de corriente electrónica a través de la unión “p-n”, en dirección al polo positivo de la batería. Movimiento de los electrones que se establece en un.sentido y de los huecos en el sentido opuesto en un diodo.semiconductor polarizado de forma directa. La parte.señalada como (A) corresponde al ánodo positivo (+) y la.parte (B) al cátodo negativo (–). Como se  puede  apreciar,.el flujo de los electrones se  mueve  del  polo  negativo  al.polo positivo de la batería (pila) conectada al circuito. POLARIZACIÓN INVERSA DEL DIODO Cuando el semiconductor diodo se polariza de forma inversa, el lado positivo “P” de la unión “p-n” se vuelve negativo (debido a estar conectado al polo negativo de la batería). En esas condiciones el “nivel de fermi”correspondiente a esa parte positiva crece en altura, impidiendo así que los electrones se puedan mover a través del cristal semiconductor. En la ilustración se pueden observar unas flechas indicando la dirección correspondiente al flujo electrónico tratando de acceder al diodo por su parte positiva sin lograrlo, pues al estar polarizado de forma inversa la “zona de deplexión” se amplía. Además, como se puede ver también, la diferencia de altura del “nivel de fermi” en la parte positiva “P” del diodo aumenta, mientras que en la parte negativa “N” disminuye. Por tanto, bajo esas circunstancias los electrones presentes en la parte negativa carecerán de la suficiente energía para poder atravesar la unión “p-n”.

CARACTERÍSTICAS DE LOS DIODOS La forma de funcionamiento de un diodo común de silicio se puede apreciar observando la curva característica que se crea cuando se polariza, bien de forma directa, o bien de forma inversa. En ambos casos la curva gráfica (representada en color verde en el siguiente gráfico) muestra la relación existente entre la corriente y la tensión o voltaje que se aplicada a los terminales del diodo.

En este gráfico correspondiente a la curva característica de un diodo de silicio, se puede observar un eje horizontal “x” y otro vertical “y”que se interceptan en el centro. En ese punto el valor del voltaje y de la intensidad de la corriente es igual a “0” volt. El eje vertical “y” muestra hacia arriba su parte positiva (+y) correspondiente al valor que puede alcanzar la intensidad de la corriente(Id) que atraviesa al diodo cuando se polariza directamente, mientras que hacia abajo su parte negativa (-y) muestra cuál será su comportamiento cuando se polariza de forma inversa (Ii). El eje horizontal “x” muestra hacia la derecha, en su parte positiva (+x), el incremento del valor de la tensión o voltaje que se aplicada al diodo en polarización directa (Vd). Hacia la izquierda del propio eje se encuentra la parte negativa (–x), correspondiente al incremento también del valor de la tensión o voltaje, pero en polarización inversa(Vi).

Si a un diodo común de silicio le aplicamos una tensión o voltaje (Vd) para polarizarlo directamente, partiendo de “0” volt (punto de intersección de los ejes de las coordenadas), se puede observar en el gráfico que hasta tanto no se alcanzan los 0,7 volt sobre el eje “+x”, el valor de la corriente (Id) no indica ninguna variación debido a la resistencia que, por debajo de ese voltaje, ofrece la “barrera de potencial” al flujo de los electrones en el punto de unión "p-n". Sin embargo, a partir de los 0,7 volt un pequeño incremento en el valor de la tensión, originará un enorme flujo de intensidad de corriente, tal como se puede apreciar en el gráfico, representado por la curva de color verde (paralela al eje “+y”), en la parte correspondiente a la “región de polarización directa” del diodo. (Como ya se mencionó anteriormente, a diferencia del diodo de silicio (Si), un diodo de germanio (Ge) sólo requiere 0,3 volt de polarización directa para que comience a conducir la corriente). Ahora bien, si el diodo se polariza de forma inversa aplicándole una tensión o voltaje inverso a partir de“0” volt y siguiendo el eje –x, vemos que aunque incrementemos el valor de esa tensión, la corriente (Ii)no muestra variación alguna, excepto en un punto donde se produce una pequeñísima “corriente de fuga” de unos pocos microamper. A partir de ese momento si continuamos incrementando el valor de la tensión se llega al punto de “ruptura inversa”, (codo de la curva de color verde), donde el aislamiento de la unión "p-n" se rompe originándose un flujo de corriente, de valor tan alto, que destruye el diodo y lo hace inservible. No obstante, existe un diodo de silicio, denominado “zener”, que, contrariamente a lo ya explicado, emplea para su funcionamiento la polarización inversa. Debido a su construcción especial tiene la propiedad de estabilizar la tensión o voltaje inverso cuando llega al punto de ruptura y alcanza la región de avalancha (denominada también “región zener”). De esa forma el alto valor del flujo de corriente que se origina a partir de ese punto lo aprovecha este diodo para reducir el valor de la tensión sin que llegue a destruirse como ocurriría con otro diodo común. Por tanto, mientras otros tipos de diodos de silicio o de germanio tienen que operar necesariamente por debajo de la tensión de ruptura inversa, el diodo zener puede soportar esa tensión de operación. Debido a esa característica este diodo se emplea, comúnmente, como regulador de tensión o voltaje en los circuitos electrónicos. Otro diodo que funciona en polarización inversa es el denominado “varicap” o “varistor”, que se emplea para sintonizar las emisiones de radio y de televisión en los radiorreceptores y los televisores domésticos en sustitución del antiguo capacitor variable mecánico.

ENCAPSULADOS DIFERENTES DE LOS DIODOS

En dependencia de la tensión o voltaje que soportan, la intensidad de la corriente de trabajo, la función específica que tendrán asignada dentro de un circuito electrónico y la potencia que disipan en watt, los diodos se comercializan con diferentes tipos de encapsulados. Además, un diodo específico puede tener tamaño y características de trabajo diferentes, así como diferente forma de encapsulado.

En esta ilustración aparecen varios diodos de características y usos.diferentes y con encapsulados también diferentes. El tipo de encapsulado de estos diodos se identifica con las.siguientes. siglas: 1.- DO35, 2.- DO-41, 3.- SOD-57, 4.- TO-3, 5.- TO-48, 6.- SOD-23,7.- KBL, 8.- WOW. Además  de  estos  ejemplos  existen  muchos.tipos más de. encapsulados.

Muestra de dos diodos rectificadores de silicio de diferentes características y encapsulados también diferentes, ambos comparados con un céntimo de euro. El diodo de arriba, de menor tamaño, puede soportar una  corriente  de1 ampere y trabajar con un voltaje de 1000 volt. A ese diodo le corresponde un encapsulado DO-41. El diodo de abajo, de mayor tamaño, puede soportar una corriente de 10 ampere y trabajar, igualmente, con un voltaje de 1000 volt, pero a diferencia del anterior  a  éste  le  corresponde  un  encapsuladoR-6.

Existen también componentes miniaturizados para montar directamente sobre circuitos impresos, denominados “SMD” (Surface Mount Device –Dispositivo de montaje en superficie). Entre esos componentes podemos encontrar, igualmentle, diodos de silicio como los que aparecen en la foto de la izquierda identificados como D7 y D8. Nótese los pocos milímetros que poseen tanto esos dos diodos como el resto de los componentes que le acompañan [capacitores (C) y resistencias (R)].