Diodos Semiconductores: Principios, Clasificación y Usos Prácticos

El Diodo de Unión PN: Fundamentos y Características

El diodo es un componente electrónico fundamental, formado por la unión de dos materiales semiconductores con distintos tipos de impurezas, creando una unión PN. Su funcionamiento se basa en la recombinación de electrones y huecos, lo que permite el flujo de corriente en una única dirección.

Conceptos Clave del Diodo

• Corriente: Se produce por la recombinación de electrones y huecos en la unión PN.
• Formación de la Unión PN: Al unir los semiconductores, se produce una difusión inicial de portadores de carga. Cuando se elimina la barrera de potencial inicial, se genera un desequilibrio de carga que es compensado por una carga de desplazamiento, formando la región de depleción.

Región de Depleción (o Agotamiento)

La región de depleción es una zona en la unión PN caracterizada por la ausencia de portadores de carga libres (electrones y huecos). Aunque hay una recombinación de carga, no hay un exceso ni una falta neta de electrones, lo que resulta en esta ausencia de carga móvil.

Aplicar un potencial externo permite manipular el tamaño de esta región: se puede disminuir para permitir la conducción o aumentarla para bloquearla. Es necesario superar un potencial umbral (Vγ) para hacer desaparecer la región de depleción y permitir que el diodo conduzca.

Características y Parámetros del Diodo

• Datasheet: Las características específicas de un diodo (como su potencial umbral) dependen del material semiconductor utilizado en su fabricación (ej. silicio, germanio).
• Símbolo: El diodo se representa con un triángulo y una barra. Sus terminales son el Ánodo (A) y el Cátodo (C).
• Resistencia en Serie: Una resistencia se utiliza comúnmente en serie con el diodo para regular la intensidad del circuito y evitar su sobrecarga. Esto es crucial, ya que la curva I-V del diodo es exponencial, lo que significa que la corriente aumenta muy rápidamente con pequeños incrementos de tensión.
• Corriente Inversa de Saturación (o de Fuga): Es una pequeña corriente que fluye cuando el diodo está polarizado inversamente, incluso antes de la ruptura.
• Ruptura por Avalancha: Fenómeno en el que el diodo comienza a conducir significativamente en sentido inverso debido a un alto voltaje, lo que puede llevar a su destrucción si no está diseñado para operar en esta región (como el diodo Zener).

Regiones de Operación del Diodo

El comportamiento del diodo se clasifica en tres regiones principales:

• Región de Polarización Directa o Conducción: Ocurre cuando la tensión aplicada (VD) es mayor que el potencial umbral (Vγ). El diodo conduce corriente.
• Región de Polarización Inversa: Se da cuando la tensión aplicada está entre la tensión Zener (VZ) y el potencial umbral (Vγ), pero en sentido inverso (VZ < VD < Vγ). El diodo bloquea la corriente, excepto por una pequeña corriente de fuga.
• Región de Ruptura o Zener: Sucede cuando la tensión inversa aplicada (VD) excede la tensión Zener (VZ). El diodo comienza a conducir significativamente en sentido inverso.

En esencia, el diodo funciona como un interruptor unidireccional: conduce o no conduce, definiendo así su estado de operación.

Consideraciones Importantes en el Diseño con Diodos

• Limitación de Corriente: Es fundamental limitar la corriente que atraviesa el diodo para evitar que esta y, consecuentemente, la tensión, aumenten indefinidamente, lo que podría dañar el dispositivo o el circuito. Por ello, se suele colocar una resistencia en serie.
• Dependencia de la Temperatura: Las características del diodo, como la corriente inversa de saturación y el potencial umbral, varían con la temperatura. A mayor temperatura, se observan mayores niveles de corriente y cambios en la tensión de conducción.

Modelado de Dispositivos Electrónicos: El Diodo

Modelar un dispositivo electrónico como el diodo consiste en simplificar la expresión matemática que describe su comportamiento real. Esto es esencial para el diseño y análisis de circuitos.

Condiciones para un Modelo de Diodo Efectivo

• Debe abstraer el funcionamiento básico del dispositivo a nivel físico.
• Debe establecer un rango de validez, usualmente con un modelo específico para cada región de operación.
• Debe equilibrar el grado de complejidad con la precisión del modelo.

Tipos de Diodos y sus Aplicaciones Específicas

Diodo Schottky

• Características: Conduce a tensiones umbral menores, lo que los hace más sensibles a la tensión y más fáciles de dañar si no se manejan correctamente. Son ideales para aplicaciones de altas frecuencias debido a su rápido tiempo de conmutación (del orden de nanosegundos). Presentan una mayor intensidad de saturación inversa.

Diodo Emisor de Luz (LED)

• Funcionamiento: Cuando se produce la recombinación de un hueco y un electrón en la unión PN, se emite un fotón de luz. El color de la luz emitida depende del material semiconductor con el que esté diseñado.
• Ventajas:
  1. Tiempo de vida útil prolongado.
  2. Bajo consumo energético.
  3. Tamaño compacto.
  4. Amplia variedad de colores.
• Desventajas:
  1. Requiere una mayor precisión en la tensión de alimentación.
  2. Funciona exclusivamente con tensión continua.
• Aplicaciones: Transmisión de datos (ej. cable de fibra óptica, luz láser), iluminación general y señalización.

Fotodiodo

• Funcionamiento: Es el inverso del LED. Genera una corriente eléctrica cuando incide luz sobre su unión PN, debido a la creación de pares hueco-electrón. Su sensibilidad a diferentes colores de luz depende del material.
• Aplicaciones:
  1. Lectores de CD/DVD.
  2. Sistemas de transmisión (detección de luz).
  3. Sensores de luz.

Diodo Zener

• Funcionamiento: Está diseñado específicamente para operar de forma segura en la zona de ruptura inversa (avalancha), donde otros diodos no están preparados para funcionar. Mantiene una tensión constante a través de él una vez que se alcanza su tensión Zener.
• Aplicaciones: Regulación de tensión, protección contra sobretensiones.

Aplicaciones Comunes de los Diodos en Electrónica

Rectificador

Un circuito rectificador utiliza diodos para convertir una señal de corriente alterna (que toma valores positivos y negativos) en una señal de corriente directa o unidireccional (que solo toma valores positivos o negativos, pero no ambos). Son esenciales en fuentes de alimentación.

Limitador (o Recortador)

Un circuito limitador, también conocido como recortador, emplea diodos para eliminar una porción de la señal de entrada que se encuentre por encima, por debajo o fuera de dos niveles de referencia preestablecidos. Además de su función de modelado de señal, sirven como circuitos de protección contra sobretensiones, limitando la tensión de entrada a un valor deseado.