El Diodo Semiconductor: Funcionamiento, Tipos y Aplicaciones

El Diodo Semiconductor

Si se junta un cristal dopado con material tipo P, en conjunto a un material tipo N, se presenta un dispositivo denominado Diodo, como se muestra en la figura #2.1.

Figura #2.1: Unión P - N

La palabra Diodo proviene de las palabras DI = dos y ODO = Electrodo, es decir, elemento de dos terminales. Al terminal conectado al lado P del diodo se le llama Ánodo y al terminal conectado al lado N del diodo se le llama Cátodo. A la unión de los dos materiales se denomina Juntura.

Producto de la mutua repulsión que sufren los electrones libres del lado N, estos electrones son repelidos a muchas partes y algunos de estos electrones atraviesan la juntura y se pasan al lado P, uniéndose a un hueco de la banda de valencia para formar así un enlace covalente. Al saltar el electrón desde el lado N genera un hueco en dicho lugar y, por lo tanto, se puede considerar que se produce un movimiento de electrones desde el lado N al lado P y también se produce un movimiento de huecos desde el lado P al lado N. La figura #2.2 muestra este proceso, el cual se denomina Difusión.

Figura #2.2: Proceso de Difusión en el diodo

Se podría pensar que el proceso de difusión duraría por mucho tiempo, sin embargo, cada vez que un electrón del lado N pasa al lado P, deja un ion positivo en el lado N por la ausencia del electrón y, por el contrario, en el lado P dejará un ion negativo producto de su presencia. Esto es, cada vez que un electrón del lado N se difunde (hacia el lado P) deja un par de iones cercano a la juntura.

Como los primeros electrones que se difunden se encuentran cerca de la juntura, van dejando esta área sin electrones y sin huecos en el lado P, razón por la cual se denomina zona de agotamiento o zona desierta. A su vez, los iones en la capa de agotamiento van dejando cada vez más cargada la zona desierta, la cual actúa como una barrera que impide que nuevos electrones sigan cruzando la juntura.

La figura #2.3 muestra este efecto, considerando que los signos (+) y (-) corresponden a los electrones y huecos respectivamente, mientras que los mismos signos encerrados con un círculo corresponden a los iones positivos y negativos.

Figura #2.3: Barrera de potencial

En efecto, para que un electrón del lado N pueda sobrepasar la juntura, deberá primero saltar la barrera de iones negativos que se encuentran en el lado P que tiende a repeler dicho electrón y dejarlo nuevamente en su posición original en el lado N.

La barrera de potencial genera una diferencia de potencial cuyo valor es V_? = 0,7 Volt si el semiconductor es de Silicio y de V_? = 0,3 Volt si el semiconductor es de Germanio (valores aproximados). La figura #2.4 muestra el símbolo esquemático del Diodo.

Figura #2.4: Simbología esquemática del diodo

Aun cuando hay muchos tipos de encapsulados que utiliza un diodo, dependiendo de la corriente y potencia que el dispositivo es capaz de soportar, el más utilizado se muestra en la figura 2.5.

Figura #2.5: Diodo de bajas y medias corrientes

La franja blanca o plateada que se observa en al costado derecho de la figura #2.5, representa al lado N o terminal cátodo del diodo.

Polarización del Diodo

Polarizar un dispositivo electrónico implica conectar una batería o fuente de alimentación continua para su funcionamiento. Para el caso del diodo, se pueden realizar dos tipos de polarización, llamadas Polarización Directa y Polarización Inversa.

a) Polarización Directa

Consiste en aplicar los terminales de la batería, de manera tal que el terminal Positivo de la batería quede conectado al Ánodo o terminal P del diodo y el terminal Negativo de la batería quede conectado al Cátodo o terminal N del diodo. La figura #2.6 muestra este tipo de conexión.

Figura #2.6: Polarización directa

Como se puede apreciar en la figura 2.6, los electrones libres del lado N del diodo están sujetos a dos fuerzas de repulsión. Hacia la izquierda, producto del terminal negativo de la batería y hacia la derecha, producto de la barrera de potencial. Esto implica que el electrón se moverá hacia la izquierda, si y solo si, la fuerza de repulsión del terminal negativo de la batería es mayor a la barrera de potencial (esto es, un voltaje de la batería mayor o igual a V_? = 0,7 Volt para el Silicio). Una situación similar ocurre con los huecos del lado P. La figura #2.7 muestra tal situación.

Figura #2.7: Polarización directa

La secuencia que se produce con los electrones para una polarización directa, con un voltaje de batería mayor o igual a V_? = 0,7 Volt para el Silicio es la siguiente:

1. Después de salir el electrón desde el terminal negativo de la batería, se introduce por el extremo derecho del diodo (lado N), para ser ingresado como electrón libre.
2. Viaja a través de la región N como electrón libre en un movimiento hacia la izquierda o lado P.
3. Cuando el electrón salta la juntura hacia el lado P, se recombina con un hueco de la banda de valencia, convirtiéndose así en electrón de valencia.
4. Ya en lado P, el electrón viaja como electrón de valencia (saltando de hueco en hueco) hacia la izquierda (terminal positivo de la batería).
5. Después de salir del lado izquierdo del cristal, fluye hacia el terminal positivo de la fuente.

En forma análoga se puede decir sobre el movimiento de huecos en el lado P.

La secuencia anteriormente indicada, refleja muy claramente por qué se produce la conducción de corriente, que no es otra cosa que el movimiento de electrones y/o huecos por unidad de tiempo. Sin embargo, se deben aclarar algunos puntos necesarios sobre dicha secuencia:

• a.- El sentido convencional que se da a la corriente es inverso al movimiento de los electrones, esto es, el sentido de la corriente convencional para el caso anteriormente mencionado sería de izquierda a derecha.
• b.- El hecho que el electrón libre en la banda de conducción del lado N, baje como electrón de valencia en el lado P, obliga a que este electrón libere energía (en la mayoría de los casos, esta energía se libera como calor y es por eso es que los diodos se calientan cuando conducen). En algunos diodos especiales, esta energía se libera como energía luminosa y a estos diodos se denominan diodos LED (Diodo Emisor de Luz).
• c.- En la práctica, no es que el electrón se desplace físicamente desde un terminal a otro, si no que realiza un pequeño empujón al electrón contiguo y así sucesivamente, cuyo efecto es similar al desplazamiento total del electrón.
• d.- Dada que la resistencia macroscópica del semiconductor es baja, la corriente estará limitada fundamentalmente por la resistencia externa.
• e.- El voltaje que queda en el diodo, corresponde al potencial de Barrera más la corriente que circula por el circuito multiplicada por la resistencia macroscópica del diodo (ley de Ohm), es decir:

V_d = V_? + I*R_d con R_d = Resistencia del diodo.

• f.- La zona desierta que se produce en la juntura disminuye.

b) Polarización inversa

Consiste en aplicar los terminales de la batería, de manera tal que el terminal Positivo de la batería quede conectado al Cátodo o terminal N del diodo y el terminal Negativo de la batería quede conectado al Ánodo o terminal P del diodo. La figura #2.8 muestra este tipo de polarización.

Figura #2.8: Polarización inversa

Como se puede observar en la figura #2.8, la fuerza eléctrica obliga a los electrones libres del lado N a trasladarse hacia la derecha o terminal positivo de la batería, esto implica, que en la juntura estará cada vez más ausente de electrones, es decir, la zona desierta se ensancha y la barrera de potencial tendrá cada vez más iones, es decir, esta barrera aumentará. Una situación similar ocurrirá con los huecos del lado P como se observa en la figura #2.9.

Figura #2.9: Polarización inversa

Esta situación de polarización inversa conlleva varias interrogantes:

a) ¿Hasta dónde se desplazará el electrón?

R) Si observamos la figura #2.9b, nos damos cuenta de que la fuerza eléctrica de la batería permite desplazar al electrón hacia la derecha, sin embargo, este desplazamiento genera un aumento de la barrera de potencial que a su vez tenderá a desplazar al mismo electrón hacia la juntura (efecto similar al de una cuerda que es jalada de ambos extremos). Por lo tanto, el electrón se desplazará hasta tal punto en que la fuerza eléctrica de la batería sea de igual valor a la fuerza eléctrica de la barrera de potencial. Esto es, cuando la barrera de potencial tenga el mismo valor que el voltaje de la batería.

b) ¿Esto significa que no hay corriente circulando por el diodo?

R) Deberíamos decir que efectivamente no hay corriente apreciable circulando por el diodo, sin embargo, nos damos cuenta de que en cada lado del diodo hay portadores minoritarios producidos por la generación del par hueco - electrón, esto es, huecos de valencia en el lado N y electrones libres en el lado P.

Luego, una polarización inversa implica polarización directa para estos portadores minoritarios. Por tanto, la respuesta correcta será que no hay circulación de corriente apreciable producto de los portadores mayoritarios, sin embargo, existe una pequeña corriente (normalmente despreciable) producto de los portadores minoritarios y que a su vez, esta corriente denominada corriente inversa de saturación I_s es altamente dependiente de la temperatura (ya que se produce un aumento en el rompimiento de los enlaces covalentes y generación de pares hueco-electrón con el aumento de la temperatura). Se puede demostrar que esta pequeña corriente (del orden de los pico Amperes) se duplica con un aumento de 10ºC de temperatura y es independiente del voltaje inverso aplicado. También existe otra corriente denominada corriente superficial de fuga I_SL, que se produce principalmente por las impurezas que quedan en las superficies del cristal que forman trayectorias Óhmicas para las corrientes, es decir, actúa de acuerdo a la ley de Ohm. Sin embargo, esta corriente también es del orden de los pico Amperes. Los manuales técnicos normalmente llaman a estas dos corrientes como una sola denominada corriente inversa I_R, comúnmente esta corriente es especificada para un voltaje inverso V_R específico y para una temperatura específica. De manera tal que al aumentar el voltaje inverso y/o la temperatura, aumentará la corriente inversa.

En resumen, podemos decir que en polarización directa no hay circulación de corriente apreciable y todo el voltaje de la batería externa caerá en el diodo (específicamente, en la barrera de potencial).

c) ¿Qué ocurre si el voltaje inverso es muy grande?

R) En este caso el electrón libre del lado P (portador minoritario), se desplazará con energía cinética que al chocar con un enlace covalente, lo romperá y habrá dos electrones libres. Estos dos electrones chocarán con dos enlaces covalentes dejando cuatro electrones libres y así sucesivamente, es decir, se produce un efecto llamado efecto de avalancha y se producirá un aumento brusco de la corriente denominada corriente de avalancha, sin embargo, el voltaje del diodo se mantendrá en su mismo valor al momento de producir el efecto de avalancha. En los diodos rectificadores el voltaje inverso de avalancha es muy grande (del orden de los cientos de volt) y al producir un aumento brusco de corriente debido a la avalancha, también se producirá un aumento brusco de la potencia de disipación que terminará por quemar al diodo. Por este motivo, al voltaje inverso de avalancha se denomina voltaje de ruptura V_B y es un valor que no debe de sobrepasarse al momento de diseñar algún circuito con este tipo de diodos llamados comúnmente como diodos rectificadores.

Existe una clase de diodos llamados Diodos Zener cuyo voltaje de avalancha es bajo (del orden de los volts), y por tanto, si se limita la corriente de avalancha se puede tener corriente con polarización inversa sin necesidad de quemar a este diodo. La particularidad es que el voltaje del diodo es muy estable y su uso principal es de utilizarse como reguladores referenciales de voltajes. Por tal motivo, al voltaje inverso de avalancha se denomina voltaje zener. La figura #2.10 muestra el símbolo esquemático para representar al diodo zener.

Figura #2.10: Simbología del diodo Zener

Con los datos obtenidos de las polarizaciones directa e inversa del diodo, se puede obtener la curva característica del diodo como se muestra en la figura #2.11.

La curva de un diodo semiconductor (o diodo real) se puede definir por la siguiente ecuación:

Con: K = 11,600/n y n=1 para Ge o n=2 para Si

T_K = T_C° + 273°

Para un diodo de silicio la corriente de saturación inversa I_S aumentará cerca del doble en magnitud por cada 10° C de incremento en la temperatura.

En resumen, se puede decir que la conducción de corriente se realiza solamente en polarización directa. En efecto, para probar el estado de un diodo, se utiliza un multitester en posición de impedancia (Ohms), de manera tal que en polarización inversa se produce una impedancia muy alta (equivalente a circuito abierto) en cambio en polarización directa su impedancia es menor. Hoy en día, los multitester digitales tienen una posición de prueba de diodo, de manera tal en dicha posición entrega un valor relativo a la impedancia o voltaje del diodo, así, en polarización directa su impedancia o voltaje es menor que en polarización directa. Cuando el diodo está en mal estado, la indicación del multitester entregará el mismo valor sin importar la posición de los terminales.

Conocido el comportamiento del diodo, es muy conveniente determinar el valor de las corrientes y voltajes en un circuito que contengan diodos, en otras palabras, se trata de analizar los circuitos que posean diodos.

Análisis por Recta de Carga

La carga o la resistencia de carga (R_L o R) aplicada a un circuito, tendrá un efecto importante sobre el punto de región de operación de un dispositivo (en este caso el diodo). Ejemplo: Considere el circuito de la figura 2.12 y curva característica de la figura 2.13.

Figura #2.12: Circuito básico con diodo Figura #2.13: Curva del diodo

Si se aplica la ley de voltajes de Kirchoff se obtiene: - V+ V_D + V_L = 0 o bien V = V_D +I_D*R_L.

Si se realiza un análisis en esta malla, de tal manera que pueda trazarse una línea recta sobre la curva de características del diodo, entonces la intersección de éstas representará el punto de operación de la red o punto Q.

a) Considere el punto 1, para la cual se hace V_D = 0, es decir

Luego: Pto1. I_D = V / R_L y V_D = 0.

b) Considere el punto 2, para la cual se hace I_D=0, es decir:

Luego pto2: V = V_D e I_D=0

Con estos dos puntos se grafican sobre la curva del diodo (Fig. #2.13) y se unen los puntos mediante una recta denominada recta de carga, como se observa precisamente en la figura #2.14.

Figura #2.14: Curva del diodo y recta de carga del circuito de la figura 2.12

Nótese que la recta de carga queda determinada en sus extremos por R_L y V, de tal manera que representa las características de la red. Si se modifica el valor de V o de R_L o de ambos, entonces la recta de carga cambiará también.

Como se mostró anteriormente, una línea recta trazada entre estos dos puntos define la recta de carga que corresponde al conjunto de puntos que satisface la ecuación de malla. La intersección entre la recta de carga y la curva del diodo, corresponde al punto de trabajo o punto Q, es decir, si proyectamos el punto Q sobre los respectivos ejes, nos encontraremos con la corriente que estará circulando por el diodo (I_DQ) y el voltaje que tiene el diodo (V_DQ), para las condiciones dadas en el circuito.

Aproximaciones para el Diodo

El circuito analizado anteriormente es muy simple, sin embargo, este tipo de análisis se puede complicar mucho para circuitos de mayor complejidad. Para evitarlo, se han desarrollado aproximaciones de las características del diodo, con el objeto de simplificar su análisis.

1ª aproximación (diodo ideal)

El diodo ideal es un dispositivo de dos terminales que tiene el símbolo y las características que se muestra en la figura 2.15.

Figura 2.15: Característica del diodo ideal

En forma ideal, un diodo conducirá corriente en la dirección definida por la flecha en el símbolo y actuará como un circuito abierto para cualquier intento de establecer corriente en la dirección opuesta. En esencia:

Las características de un diodo ideal son las de un interruptor que puede conducir corriente en una sola dirección.

Como se puede observar, la primera aproximación dista bastante de la característica de un diodo real, sin embargo, es muy útil al momento de realizar un análisis rápido para un circuito con diodos.

2ª aproximación

En esta aproximación se considera el V_? del diodo para el caso de polarización directa, como se muestra en la figura #2.16.

Figura #2.15: Segunda aproximación del diodo

De la figura #2.15, se pueden obtener las siguientes conclusiones:

• a) En la zona inversa, el diodo sigue comportándose como un circuito abierto, esto es, I_D=0 Amper.
• b) En la zona directa, el diodo requiere de un voltaje superior o igual a V_?, esto es 0,7 Volt si el diodo es de Silicio y 0,3 Volt si el diodo es de Germanio, para que pueda conducir, de lo contrario, el diodo actuará como circuito abierto.
• c) El voltaje en el diodo es constante y tiene un valor de V_?

3ª aproximación

En esta aproximación se considera el V_? del diodo y además la resistencia macroscópica del dispositivo, que es un linealización de la curva característica para el caso de polarización directa, como se muestra en la figura #2.16.

Figura #2.16: Tercera Aproximación del diodo

En este caso, no se considera el caso de la polarización inversa, pues, su comportamiento es idéntico al caso de la 1ª y 2ª aproximación.

Ejercicios Resueltos

En los diversos circuitos que se muestran a continuación, determine I_D y V_R. Considere segunda aproximación.

1.- Con V = 12 volts

Realizando la malla: -V + V_D+ V_R = 0

-12+ 0.7 + I_D*R = 0 Despejando I_D de la ecuación anterior:

I_D = (12 - 0.7)/1.2 k = 9.42 mA; V_R = I_D*R , Luego V_R= 11,3V

2.- Si en el ejemplo anterior se invierte el diodo:

Con el diodo invertido la corriente por el diodo será cero (si se utiliza el modelo simplificado) y entonces I = 0.

-12 + V_D + V_R = 0, donde V_R = I*R = 0

V_D = 12 volts

I = I_D = 0 A

3.- Considere el mismo circuito inicial pero con V = 0,4 volts.

En este caso, aunque la polaridad del voltaje de la fuente es adecuada para polarizar el diodo en forma directa, sin embargo, el nivel de voltaje es insuficiente para activar al diodo de silicio y ponerlo en el estado de conducción.

Otros Tipos de Diodos

Además del diodo rectificador y diodo Zener, existen otros tipos de diodos que son muy utilizados para aplicaciones particulares de la electrónica, entre ellos se cuenta con:

1) Diodos emisores de luz (LEDs)

Un diodo emisor de luz es un dispositivo de unión PN que cuando se polariza directamente emite luz, para ello, al aplicarse una tensión directa a la unión, se inyectan huecos en la capa P y electrones en la capa N. Como resultado de ello, ambas capas tienen una mayor concentración de portadores (electrones y huecos) que la existente en equilibrio. Debido a esto, se produce una recombinación de portadores, liberándose en dicha recombinación la energía que les ha sido comunicada mediante la aplicación de la tensión directa.

Se pueden distinguir dos tipos de recombinación en función del tipo de energía que es liberada:

• a) Recombinación no radiante: la mayoría de la energía de recombinación se libera al cristal como energía térmica (calor).
• b) Recombinación radiante: la mayoría de la energía de recombinación se libera en forma de radiación (posible emisión de luz). La energía liberada cumple la ecuación: E=HF =HC/? Donde :

? = Longitud de onda del fotón.

E = diferencia de energía entre el electrón y el hueco que se recombinan expresada en electrón- voltios, Esta energía depende del material que forma la unión PN.

C = Velocidad de la luz 3·10⁸m/s

H = Constante de Planck.

La figura #2.17 muestra el símbolo del diodo LED.

Figura #2.17: Diodo LED

En general, el diodo LED puede ser tratado de manera análoga a un diodo normal. Sin embargo, conviene tener en cuenta que los diodos LED no están fabricados de silicio, ya que el silicio es incapaz de emitir fotones. Debido a ello, la tensión de polarización directa V_D depende del material con el que esté fabricado el diodo. La tabla #1, muestra el tipo de elemento, longitud de onda, tipo de luz irradiada y voltaje de potencial utilizado en la fabricación de diodos LED.

Elemento Longitud de onda Irradiación Voltaje de barrera de potencial

• AsGa 904 nm IR 1 V
• InGaAsP 1300 nm IR 1 V
• AsGaAl 750-850 nm Rojo 1,5 V
• AsGaP 590 nm Amarillo 1,6
• InGaAlP 560 nm Verde 2,7 V
• CSi 480 nm Azul 3 V

Tabla #1: Tipos de diodos LED

Nota: IR implica radiación infrarroja, esto es, no es luz visible.

2) Diodos Láser

La palabra LASER es un acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Las aplicaciones de estos diodos son muy diversas y cubren desde el corte de materiales con haces de gran energía hasta la transmisión de datos por fibra óptica.

Los diodos láser son constructivamente diferentes a los diodos LED normales. Las características de un diodo láser son:

a) La emisión de luz es dirigida en una sola dirección: Un diodo LED emite fotones en muchas direcciones. Un diodo láser, en cambio, consigue realizar un guiado de la luz preferencial una sola dirección como se muestra en la figura #2.18.

Figura #2.18: Emisión de fotones para los dispositivos que se indican

b) La emisión de luz láser es monocromática: Los fotones emitidos por un láser poseen longitudes de onda muy cercanas entre sí. En cambio, en la luz emitida por diodos LED, existen fotones con mayores dispersiones en cuanto a las longitudes de onda como se muestra en la figura #2,19.

Figura #2,19: Longitudes de ondas

Debido a estas dos propiedades, con el láser se pueden conseguir rayos de luz monocromática dirigidos en una dirección determinada. Como además también puede controlarse la potencia emitida, el láser resulta un dispositivo ideal para aquellas operaciones en las que sea necesario entregar energía con precisión.

Los materiales utilizados para la fabricación de diodos láser son prácticamente los mismos que en diodos LED.

Dispositivos Fotodetectores: son aquellos componentes que varían algún parámetro eléctrico en función de la luz. Todos los componentes fotodetectores están basados en el mismo principio, esto es, si construimos un componente con un material semiconductor de manera que la luz pueda incidir sobre dicho material, la energía luminosa generará pares electrón - hueco. Entre los dispositivos fotodetectores se tienen:

a) Fotorresistencias: Se compone de un material semiconductor cuya resistencia varia en función de la iluminación. Para ello, reduce su valor resistivo en presencia de rayos luminosos. Es por ello por lo que también se le llama resistencias dependientes de luz (light dependent resistors), fotoconductores o células fotoconductoras. Cuando incide la luz en el material fotoconductor se generan pares electrón - hueco. Al haber un mayor número de portadores, el valor de la resistencia disminuye.

Figura #2.20: Estado de conducción con foto generación

Si dejamos de iluminar, los portadores fotogenerados se recombinarán hasta volver hasta sus valores iniciales. Por lo tanto el número de portadores disminuirá y el valor de la resistencia será mayor.

Figura #2.21: Estado de conducción sin foto generación

Por supuesto, el material de la fotorresistencia responderá a unas longitudes de onda determinadas. Es decir, la variación de resistencia será máxima para una longitud de onda determinada. El material más utilizado como sensor es el CdS, aunque también puede utilizarse Silicio, GaAsP y GaP.

b) Fotodiodos: Son diodos de unión PN cuyas características eléctricas dependen de la cantidad de luz que incide sobre la unión. En la figura #2.22 se muestra su simbología y curva característica.

Simbología Curva característica

Figura #2.22: Simbología y curva característica de un fotodiodo

El fotodiodo utiliza la generación de pares electrón - hueco generados por la energía luminosa, teniendo una gran incidencia en portadores minoritarios, que son los responsables de que el diodo conduzca ligeramente en inversa. De manera tal, que el comportamiento del fotodiodo en inversa se ve claramente influenciado por la incidencia de luz.

Un fotodiodo presenta una construcción análoga a la de un diodo LED, en el sentido que necesita una ventana transparente a la luz por la que se introduzcan los rayos luminosas para incidir en la unión PN. En la Figura #2.23, aparece una geometría típica. Por supuesto, el encapsulado es transparente a la luz.

Figura #2.23: Geometría del fotodiodo

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