Aislantes, Conductores y Semiconductores: Estructura, Dopado, Diodos y Aplicaciones

Estructura Interna y Funcionamiento de Aislantes, Conductores y Semiconductores

1. Estructura Interna de Aislantes, Metales y Semiconductores Intrínsecos

La estructura interna de los materiales determina sus propiedades eléctricas. Se diferencian principalmente por la distribución de electrones en sus bandas de energía:

• Aislantes: En el cero absoluto, no hay electrones en la banda de conducción. Presentan una banda de conducción vacía y una banda de valencia llena, separadas por un intervalo de energía grande (banda prohibida).
• Conductores (Metales): Tienen una banda de conducción parcialmente llena. La banda de valencia y la de conducción pueden solaparse, o el intervalo de energía entre ellas es muy pequeño o inexistente.
• Semiconductores Intrínsecos: Poseen una estructura similar a la de los aislantes, pero con un intervalo de energía (banda prohibida) significativamente menor entre la banda de valencia y la de conducción. En el cero absoluto, la banda de conducción está vacía y la de valencia llena.

2. Semiconductores Dopados

(Consultar apuntes para una descripción detallada). El dopado consiste en introducir impurezas en un semiconductor intrínseco para modificar su conductividad.

3. El Diodo: Curva Característica y Ecuación

Un diodo es un componente electrónico formado por la unión de dos regiones semiconductoras, una de tipo N (con exceso de electrones) y otra de tipo P (con defecto de electrones, o "huecos"). Entre ambas regiones se forma una zona de agotamiento, donde la concentración de portadores de carga (electrones y huecos) es mínima.

La ecuación que describe el comportamiento ideal del diodo es:

I = I_s * (e^{(V / (n * V_t))} - 1)

Donde:

• I: Corriente a través del diodo.
• I_s: Corriente inversa de saturación (depende del material y la temperatura).
• V: Tensión aplicada al diodo.
• n: Factor de idealidad del diodo (valor entre 1 y 2).
• V_t: Potencial equivalente de temperatura (aproximadamente 25 mV a temperatura ambiente).

Limitaciones del modelo:

• La ecuación no modela la zona de ruptura inversa. A una tensión inversa suficientemente alta, el diodo puede entrar en ruptura (excepto los diodos Zener, diseñados para operar en esta región).
• La corriente de fuga real es pequeña pero no nula (1 nA en Si, 10 nA en Ge), y aumenta con la temperatura.
• La tensión de codo (tensión a partir de la cual el diodo conduce significativamente) es de aproximadamente 0.7V para diodos de silicio (Si) y 0.2V para diodos de germanio (Ge).

4. El Diodo: Modelos Aproximados

Para simplificar el análisis de circuitos, se utilizan modelos aproximados del diodo:

• Primera Aproximación (Ideal): El diodo se comporta como un interruptor ideal: cerrado en polarización directa (conduce sin caída de tensión) y abierto en polarización inversa (no conduce).
• Segunda Aproximación: Se considera una caída de tensión constante en polarización directa (típicamente 0.7V para diodos de Si). El diodo se modela como un interruptor cerrado en serie con una fuente de tensión de 0.7V.
• Tercera Aproximación: Se añade una resistencia en serie al modelo anterior para representar la resistencia interna del diodo. El modelo incluye un interruptor cerrado, una fuente de tensión (0.7V) y una resistencia en serie.

5. Diodo Zener: Características y Funcionamiento

Características:

• Es un diodo de silicio fuertemente dopado, diseñado para operar en la zona de ruptura inversa.
• Se utiliza como regulador de tensión o como referencia de tensión en circuitos de corriente continua.

Funcionamiento:

La principal característica del diodo Zener es que mantiene una tensión relativamente constante a través de él (tensión Zener, V_z) aunque varíe la corriente que lo atraviesa, siempre que se opere en la zona de ruptura inversa. Esto lo convierte en un componente útil para estabilizar tensiones.

6. Diodo Schottky: Características y Funcionamiento

Características:

• Es un diodo semiconductor que se caracteriza por una conmutación muy rápida entre los estados de conducción directa e inversa.
• Presenta una baja tensión umbral (tensión de codo).

Funcionamiento:

A bajas frecuencias, un diodo convencional puede conmutar rápidamente al cambiar la polarización. Sin embargo, a altas frecuencias, el tiempo de conmutación puede ser significativo, lo que limita su uso. El diodo Schottky, gracias a su estructura y materiales, permite conmutaciones mucho más rápidas, haciéndolo adecuado para aplicaciones de alta frecuencia.