Condiciones de polarización

El diodo El diodo ideal es un componente discreto que permite la circulación de corriente entre sus terminales en un determinado sentido, mientras que la bloquea en el sentido contrario

¿Cómo se forma? El diodo semiconductor se forma con solo unir un material tipo P con un tipo n construido de la misma base que puede ser de Ge o Si utilizando técnicas especiales. En el momento en que son unidos los dos materiales, los electrones y los huecos en la región de unión se combinan, dando como resultado una falta de portadores en la región cercana a la unión. A esta región de iones positivos y negativos descubiertos se llama región de agotamiento debido a la disminución de portadores en ella.

Región de agotamiento

Aplicando voltaje La aplicación de un voltaje a través de sus terminales permite tres posibilidades: a) Sin polarización (Vd.=0v) b) Polarización directa (Vd.>0v) c) Polarización inversa (Vd.<0v)

Sin polarización Cuando los materiales semiconductores del tipo N y del tipo P se juntan, ocurre un fenómeno muy importante en la unión debido al exceso de huecos en el material y electrones en el otro lado, una interacción se lleva a cabo entre los dos tipos de materiales. Algunos electrones se difunden a través de la unión y similarmente pasa por los huecos del material tipo P, esta iteración o difusión lleva al equilibrio formando un campo eléctrico e donde la corriente total es cero.

Curvas intensidad-tensión para diodos semiconductores

Polarización directa Si el terminal positivo de la fuente está conectado al material tipo p y el terminal negativo de la fuente está conectado al material tipo n, diremos que estamos en “Polarización Directa”. En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad

Si ahora aplicamos a dicha unión una tensión exterior de signo contrario a la barrera de potencial interna, ésta irá disminuyendo en anchura. A mayor tensión aplicada externamente corresponderá una barrera interna menor y podremos llegar a conseguir que dicha barrera desaparezca totalmente. En este momento los electrones (portadores mayoritarios) de la zona N están en disposición de pasar a la zona P. Exactamente igual están los huecos de la zona P que quieren "pasar" a la zona N.

Sin polarización

Polarización directa débil, región agotada reducida, pero no eliminada Al aumentar la polarización directa, la zona agotada  y su barrera de potencial interna asociada han sido neutralizadas

A la tensión externa que anula la barrera de potencial de la unión y la deja preparada para el paso de los respectivos portadores mayoritarios, se le denomina tensión Umbral. Se la representa po Vu y sus valores prácticos son: Para el Silicio  Vu = 0,4 - 0,5 voltios Para el Germanio Vu =  0,05 - 0,06 voltios En esta situación, al aplicar un aumento en la tensión exterior, los electrones se sentirán atraídos por el polo positivo de la pila y los huecos por el negativo de la misma. No hay dificultad para atravesar la unión y por tanto aparecerá una corriente de mayoritarios a través del circuito. A partir de aqui, cualquier aumento de tensión provoca un aumento de la corriente.

Polarizar directamente es como se muestra en la figura Puede observarse que la polarización directa provocó una disminución del ancho de la barrera de potencial de la zona de agotamiento. El lado p tiene una diferencia de potencial positiva respecto al lado n. Los electrones y huecos tienen ahora mayor facilidad para cruzar la barrera. La corriente de difusión aumenta y la de deriva disminuye, teniendo así una corriente neta en el diodo que circula desde el lado p hacia el lado n

Polarización inversa El polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería.

POLO POSITIVO DE LA BATERIA A medida que abandonan la zona “n” Los cuales salen del cristal “n” Atraen electrones libres de la zona “n” Los átomos pentavalentes antes llamados neutros Se introducen en el conductor Se desplazan hasta llegar a la batería Al desprenderse de su electrón en orbital de conducción adquieren estabilidad de +Tienen 8 electrones de valencia en una carga neta 1 Se convierte en iones positivos

POLO NEGATIVO DE LA BATERIA Se convierten en iones negativos Tiene una carga eléctrica neta de -1 Cede electrones libres en los átomos trivalentes de la zona “p” Cuenta con 8 electrones en su orbita de valencia Solo tienen 3 electrones de valencia Caen dentro de estos “huecos” los cuales los átomos trivalentes adquieren estabilidad Al formar los enlaces covalentes con los átomos de silicio Tienen solamente 7 electrones de valencia Siendo el electrón que falta el denominado “hueco” Cuando los electrones libres cedidos entran a la zona “p”

Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería. P R O C E S El diodo NO debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco.  En ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente se denomina corriente inversa de saturación. Corriente superficial de fugas: conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; porque, los átomos de silicio NO están rodeados de suficientes átomos para realizar los 4 enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad.

Fenómeno de ruptura por multiplicación o avalancha Fenómeno que ocurre con tensiones inversas elevadas en una unión p-n, los electrones libres se aceleran a velocidades tan altas que son capaces de desalojar a los electrones de valencia. Cuando se produce esta situación, los electrones de valencia se convierten en electrones libres que desalojan a otros electrones de valencia.

Ruptura Zener Se basa en la aplicación de tensiones inversas, debido a su característica constituimos fuertes campos eléctricos que causan la ruptura de enlaces entre los átomos dejando así electrones libres capaces de establecer su conducción.

Diodo Zener Hemos visto que un diodo semiconductor normal puede estar polarizado tanto en directa como inversamente. En directa se comporta como una pequeña resistencia. En inversa se comporta como una gran resistencia. Veremos ahora un diodo de especiales características que recibe el nombre de diodo zener El diodo zener trabaja exclusivamente en la zona de característica inversa y, en particular, en la zona del punto de ruptura de su característica inversa Esta tensión de ruptura depende de las características de construcción del diodo, se fabrican desde 2 a 200 voltios. Polarizado en directa actúa como un diodo normal y por tanto no se utiliza en dicho estado

El símbolo del diodo zener es: y su polarización es siempre en inversa, es decir

Cuando un diodo normal se polariza inversamente, circula a través de el la corriente inversa de saturación, cuyo valor es prácticamente constante. Sin embargo, cuando la tensión inversa aplicada aumenta y alcanza cierto valor, la curva del diodo presenta un cambio brusco y entra en la zona de ruptura, produciéndose un aumento de la corriente. En la zona de ruptura se dan simultáneamente grandes valores de tensión y corriente, lo cual origina unas potencias de valor elevado que aumentan la temperatura de la unión pn.