Fundamentos de Semiconductores y Diodos: Funcionamiento y Aplicaciones Electrónicas

Introducción a los Semiconductores

Los semiconductores son aquellos materiales que tienen la propiedad de comportarse como aislantes o como conductores en función de la temperatura a la que se encuentran. Todo átomo busca tener 8 electrones en su capa de valencia para alcanzar estabilidad. En el caso del silicio, este solo posee 4 electrones de valencia. Para conseguir la estabilidad, el silicio comparte sus electrones con los átomos de alrededor, formando enlaces covalentes, lo que lo convierte en un material aislante a bajas temperaturas.

Tipos de Silicio Dopado

• Silicio Tipo N

  Si añadimos átomos que tengan 5 electrones de valencia, como el antimonio (impureza donadora), se forman 4 enlaces covalentes con el silicio, y queda un electrón libre. Este electrón adicional puede moverse fácilmente, permitiendo el paso de la corriente eléctrica y haciendo que el material sea conductor.

• Silicio Tipo P

  Es un cristal de silicio al que se le añaden impurezas que tienen 3 electrones de valencia, como el boro (impureza aceptora). Esto deja un enlace incompleto, conocido como hueco o vacante de electrón. Estos huecos pueden aceptar electrones de átomos vecinos, lo que permite la conducción de corriente.

El Diodo: Funcionamiento y Características

El diodo es un componente electrónico fundamental que se forma por la unión de un material tipo P con uno tipo N (unión PN). Su principal característica es que permite el paso de la corriente eléctrica en un solo sentido. Cuando se unen, los electrones que están cerca de la línea de unión (zona de unión PN) saltan de la zona N a la zona P, creando una zona de agotamiento o barrera de potencial.

Polarización del Diodo

• Polarización Directa

  Si conectamos una batería de forma que el polo positivo coincida con la zona P y el polo negativo con la zona N, la carga negativa (electrones) de la zona N es repelida hacia la unión, y la carga positiva (huecos) de la zona P es repelida hacia la unión. Esto reduce la zona de agotamiento y permite que se produzca una corriente significativa a través del diodo.

• Polarización Inversa

  Si conectamos la batería al contrario (polo positivo a la zona N y polo negativo a la zona P), los electrones de la zona N son atraídos por el polo positivo, y los huecos de la zona P son atraídos por el polo negativo. Esto ensancha la zona de agotamiento, impidiendo la circulación de la corriente principal. Sin embargo, circula una pequeña corriente inversa de fuga. Si la tensión inversa aplicada es excesiva y alcanza la tensión de ruptura (o tensión Zener en diodos específicos), el diodo podría destruirse debido al calor generado.

Características Eléctricas del Diodo

El diodo no empieza a conducir de manera significativa hasta que no se supera un valor de tensión conocido como tensión umbral (o tensión de codo). En el caso del silicio, esta tensión es de aproximadamente 0.6 V a 0.7 V, y en el del germanio es de aproximadamente 0.2 V a 0.3 V. Si la tensión aplicada no supera la tensión umbral, el diodo se comporta prácticamente como un interruptor abierto.

Tipos Comunes de Diodos

• Diodo de Señal

  Son diodos diseñados para trabajar con bajas intensidades de corriente y tensiones relativamente bajas (típicamente hasta 50 V). Se utilizan en circuitos de baja potencia para procesar señales.

• Diodo de Potencia

  Son capaces de soportar decenas o incluso cientos de amperios y tensiones de cientos o miles de voltios. Se utilizan en fuentes de alimentación y aplicaciones de alta potencia.

• Diodo Zener

  Se utilizan principalmente como estabilizadores de tensión, ya que pueden mantener una tensión prácticamente constante en sus bornes cuando están polarizados inversamente y alcanzan su tensión Zener. Son ideales para regular voltajes.

• LED (Diodo Emisor de Luz)

  Son diodos que emiten luz cuando están polarizados directamente. Se utilizan ampliamente como elementos de señalización, iluminación y pantallas.

• Fotodiodo

  Son diodos sensibles a las radiaciones luminosas. Cuando la intensidad de la luz que incide sobre ellos aumenta, su conductividad también aumenta, lo que provoca un incremento en la corriente que circula a través de ellos. Se utilizan en detectores de luz y sensores ópticos.

Circuitos de Rectificación y Filtrado

La rectificación es el proceso de convertir una corriente alterna (AC) en una corriente continua (DC) pulsante, utilizando diodos.

Circuitos de Rectificación

• Rectificación de Media Onda

  Cuando la tensión de entrada es positiva, el diodo se polariza directamente y permite el paso de la corriente a la carga. Sin embargo, cuando la tensión es negativa, el diodo se polariza inversamente y bloquea el paso de la corriente, resultando en una salida de corriente pulsante solo durante la mitad del ciclo.

• Rectificación de Onda Completa

  Este tipo de circuito utiliza múltiples diodos (generalmente cuatro en una configuración de puente) para aprovechar ambos semiciclos de la tensión alterna. Cuando la alimentación es positiva, un par de diodos conduce; cuando es negativa, el otro par conduce. Esto resulta en una salida de corriente pulsante más suave y con el doble de frecuencia que la de media onda.

El Filtrado de la Corriente Rectificada

La misión del filtrado es reducir las variaciones de amplitud (conocidas como rizado) de la corriente rectificada y conseguir que la salida sea lo más constante posible, acercándose a una corriente continua pura.

• Filtrado con Condensador

  Se conecta un condensador en paralelo a la salida del rectificador. Durante los picos de tensión, el condensador se carga. Cuando la tensión de entrada comienza a descender, el condensador se descarga lentamente a través de la carga, manteniendo la tensión de salida relativamente constante hasta el siguiente pico. Una vez alcanzada la tensión máxima, la tensión desciende y los diodos dejan de conducir hasta que la tensión de entrada supera nuevamente la tensión del condensador.

• Filtrado con Inductancia y Condensador (Filtro LC)

  Este tipo de filtro combina una bobina (inductancia) en serie con la carga y un condensador en paralelo. La bobina se opone a las variaciones de intensidad, reduciendo la tensión de rizado al pasar la corriente a través de ella. Al estar en serie con la carga, se produce una pequeña caída de tensión. La combinación de ambos componentes proporciona un filtrado más eficaz, resultando en una corriente continua más suave.