DIODO SEMICONDUCTOR

EL DIODO SEMICONDUCTOR SE CREA UNIENDO UN MATERIAL TIPO N A UN MATERIAL TIPO P. SIN POLARIZACIÓN APLICADA (V = 0 V). LOS SEMICONDUCTORES TIPO N Y TIPO P, POR SÍ MISMOS, TIENEN LA MISMA UTILIDAD QUE UNA RESISTENCIA DE CARBÓN. EN EL MOMENTO EN QUE LOS DOS MATERIALES SE “UNEN”, LOS ELECTRONES Y LOS HUECOS EN LA REGIÓN DE LA UNIÓN SE COMBINAN Y PROVOCAN UNA CARENCIA DE PORTADORES LIBRES EN LA REGIÓN PRÓXIMA A LA UNIÓN.

LA FRONTERA FÍSICA ENTRE UN SEMICONDUCTOR TIPO P Y UNO TIPO N SE LLAMA UNIÓN PN, POR LO QUE ESTA ESTRUCTURA SE LLAMA TAMBIÉN DIODO DE UNIÓN. DEBIDO A SU REPULSIÓN MUTUA, LOS ELECTRONES LIBRES EN EL LADO N TIENDEN A DISPERSARSE EN CUALQUIER DIRECCIÓN. ALGUNOS ELECTRONES LIBRES ATRAVIESAN LA UNIÓN. CUANDO UN ELECTRÓN ABANDONA EL LADO N, DEJA UN ÁTOMO PENTAVALENTE SIN UNA CARGA NEGATIVA; ESTE ÁTOMO SE CONVIERTE EN ION POSITIVO. UNA VEZ QUE EL ELECTRÓN CAE EN UN HUECO EN EL LADO P, EL ÁTOMO TRIVALENTE QUE LO HA CAPTURADO SE CONVIERTE EN ION NEGATIVO.

LOS IONES SE ENCUENTRAN FIJOS EN LA ESTRUCTURA DEL CRISTAL DEBIDO A LOS ENLACES COVALENTES Y NO PUEDEN MOVERSE COMO LOS ELECTRONES LIBRES Y LOS HUECOS.

ESTA REGIÓN DE IONES POSITIVOS Y NEGATIVOS FORMADOS SE LLAMA REGIÓN DE “AGOTAMIENTO”, DEBIDO A LA DISMINUCIÓN DE PORTADORES LIBRES EN LA REGIÓN. CADA PAREJA DE IONES POSITIVO Y NEGATIVO EN LA UNIÓN SE LLAMA DIPOLO Y POSEEN UN CAMPO ELÉCTRICO LA INTENSIDAD DEL CAMPO ELÉCTRICO AUMENTA CON CADA DIPOLO QUE SE FORMA Y DETENDRÁ LA DIFUSIÓN DE ELECTRONES A TRAVÉS DE LA UNIÓN.

EL CAMPO ELÉCTRICO QUE SE FORMA ES EQUIVALENTE A UNA DIFERENCIA DE POTENCIAL LLAMADA BARRERA DE POTENCIAL. A 25°C ES DE 0.3 V PARA DIODOS DE Ge Y 0.7 V PARA DIODOS DE Si. SIN NINGUNA POLARIZACIÓN APLICADA A TRAVÉS DE UN DIODO SEMICONDUCTOR, EL FLUJO NETO DE CARGA EN UNA DIRECCIÓN ES CERO.

CONDICIÓN DE POLARIZACIÓN EN INVERSA (V D < 0 V) EN ESTE CASO, EL TERMINAL NEGATIVO DE LA BATERÍA SE ENCUENTRA CONECTADO AL LADO P Y EL TERMINAL POSITIVO LO ESTÁ AL LADO N. EL NÚMERO DE IONES POSITIVOS REVELADOS EN LA REGIÓN DE “AGOTAMIENTO” DEL MATERIAL TIPO N SE INCREMENTARÁ POR LA GRAN CANTIDAD DE ELECTRONES LIBRES ATRAÍDOS POR EL POTENCIAL POSITIVO DEL VOLTAJE APLICADO. POR LAS MISMAS RAZONES, EL NÚMERO DE IONES NEGATIVOS REVELADOS SE INCREMENTARÁ EN EL MATERIAL TIPO P.

EL EFECTO NETO, POR CONSIGUIENTE, ES UNA MAYOR APERTURA DE LA REGIÓN DE AGOTAMIENTO, LA CUAL CREA UNA BARRERA DEMASIADO GRANDE PARA QUE LOS PORTADORES MAYORITARIOS LA PUEDAN SUPERAR, POR LO QUE EL FLUJO DE PORTADORES MAYORITARIOS SE REDUCE A CERO.

LA CORRIENTE EN CONDICIONES DE POLARIZACIÓN EN INVERSA SE LLAMA CORRIENTE DE SATURACIÓN EN INVERSA, I S. EXISTE UN LÍMITE EN EL VOLTAJE DE POLARIZACIÓN EN INVERSA DEL DIODO SIN QUE SE DAÑE Y ES CONOCIDO COMO LA TENSIÓN DE RUPTURA. LA TENSIÓN DE RUPTURA DE UN DIODO DEPENDE DEL NIVEL DE DOPAJE DEL MISMO. CON DIODOS RECTIFICADORES (EL MAS COMÚN), LA TENSIÓN DE RUPTURA SUELE SER MAYOR DE 50 V.

CONDICIÓN DE POLARIZACIÓN EN DIRECTA (V D > 0 V) LA CONDICIÓN DE POLARIZACIÓN EN DIRECTA O “ENCENDIDO” SE ESTABLECE APLICANDO EL POTENCIAL POSITIVO DE LA BATERÍA AL MATERIAL TIPO P Y EL POTENCIAL NEGATIVO AL MATERIAL TIPO N. LA BATERÍA EMPUJA HUECOS Y ELECTRONES LIBRES HACIA LA UNIÓN. SI LA TENSIÓN DE LA BATERÍA ES MENOR QUE LA BARRERA DE POTENCIAL, LOS ELECTRONES LIBRES NO TIENEN SUFICIENTE ENERGÍA PARA ATRAVESAR LA REGIÓN DE AGOTAMIENTO. CUANDO ENTRAN EN ESTA ZONA LOS IONES LOS EMPUJADAN DE NUEVO A LA ZONA N. A CAUSA DE ESTO NO CIRCULA CORRIENTE POR EL DIODO.

SI LA TENSIÓN DE LA BATERÍA ES MAYOR QUE LA BARRERA DE POTENCIAL, LA BATERÍA EMPUJA DE NUEVO HUECOS Y ELECTRONES LIBRES HACIA LA UNIÓN, POR LO QUE LOS ELECTRONES LIBRES TIENEN SUFICIENTE ENERGÍA PARA PASAR A TRAVÉS DE LA ZONA DE AGOTAMIENTO Y RECOMBINARSE CON LOS HUECOS DE LA REGIÓN P.

MIENTRAS SE INCREMENTA LA MAGNITUD DE LA POLARIZACIÓN APLICADA, EL ANCHO DE LA REGIÓN DE AGOTAMIENTO CONTINUARÁ REDUCIÉNDOSE HASTA QUE UN FLUJO DE ELECTRONES PUEDA ATRAVESAR LA UNIÓN, LO QUE PRODUCE UN CRECIMIENTO EXPONENCIAL DE LA CORRIENTE. EN LA CURVA CARACTERÍSTICA DEL DIODO LA ESCALA VERTICAL ESTÁ EN mA Y LA ESCALA HORIZONTAL EN LA REGIÓN DE POLARIZACIÓN DIRECTA ESTA EN VOLTIOS. EN GENERAL EL VOLTAJE A TRAVÉS DE UN DIODO POLARIZADO EN DIRECTA SERÁ ALREDEDOR DE 1 V. DEPENDIENDO DEL MATERIAL SEMICONDUCTOR. LA CORRIENTE SE ELEVA RÁPIDAMENTE DESPUÉS DE LA RODILLA DE LA CURVA.

CARACTERÍSTICAS DEL DIODO SEMICONDUCTOR DE SILICIO

COMO EJEMPLO SIGAMOS EL FLUJO DE UN ELECTRÓN A LO LARGO DEL CIRCUITO COMPLETO. DESPUÉS QUE EL ELECTRÓN LIBRE ABANDONA EL TERMINAL NEGATIVO DE LA BATERÍA ENTRA EN EL EXTREMO DERECHO DEL DIODO. VIAJA A TRAVÉS DE LA REGIÓN N HASTA QUE ALCANZA LA UNIÓN. CUANDO LA TENSIÓN DE LA BATERÍA ES MAYOR QUE LA BARRERA DE POTENCIAL EL ELECTRÓN LIBRE TIENE LA ENERGÍA SUFICIENTE PARA ATRAVESAR LA ZONA DE AGOTAMIENTO. POCO DESPUÉS DE ATRAVESAR A LA REGIÓN P SE RECOMBINA CON UN HUECO, ES DECIR SE CONVIERTE EN UN ELECTRÓN DE VALENCIA.

CONTINUA SU VIAJE HACIA LA IZQUIERDA PASANDO DE UN HUECO AL SIGUIENTE HASTA QUE ALCANZA EL EXTREMO IZQUIERDO DEL DIODO APARECIENDO UN NUEVO HUECO Y EL PROCESO COMIENZA OTRA VEZ. COMO HAY MILES DE MILLONES DE ELECTRONES HACIENDO EL MISMO VIAJE, SE TIENE UNA CORRIENTE CONTINUA A TRAVÉS DEL DIODO. NOTA: QUE LA CORRIENTE CIRCULA FÁCILMENTE EN UN DIODO POLARIZADO DIRECTAMENTE. CUANDO LA TENSIÓN APLICADA SEA MAYOR QUE LA BARRERA DE POTENCIAL HABRÁ UNA GRAN CORRIENTE CONTINUA EN EL CIRCUITO.

LAS CARACTERÍSTICAS GENERALES DE UN DIODO SEMICONDUCTOR SE PUEDEN DEFINIR MEDIANTE LA ECUACIÓN DE SHOCKLEY, PARA LAS REGIONES DE POLARIZACIÓN EN DIRECTA Y EN INVERSA: DONDE I S ES LA CORRIENTE DE SATURACIÓN EN INVERSA. V D ES EL VOLTAJE DE POLARIZACIÓN EN DIRECTA APLICADO A TRAVÉS DEL DIODO. n ES UN FACTOR DE IDEALIDAD, EL CUAL ES UNA FUNCIÓN DE LAS CONDICIONES DE OPERACIÓN Y CONSTRUCCIÓN FÍSICA; VARÍA ENTRE 1 Y 2 (SE SUPONDRÁ N = 1). K ES LA CONSTANTE DE BOLTZMANN = 1.38 X J/K T ES LA TEMPERATURA ABSOLUTA EN KELVIN = LA TEMPERATURA EN °C. Q ES LA MAGNITUD DE LA CARGA DEL ELECTRÓN = 1.6 X C.

REGIÓN ZENER EXISTE UN PUNTO DONDE LA APLICACIÓN DE UN VOLTAJE DEMASIADO NEGATIVO PRODUCIRÁ UN CAMBIO ABRUPTO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE UN DIODO SEMICONDUCTOR. LA CORRIENTE SE INCREMENTA MUY RÁPIDO EN UNA DIRECCIÓN OPUESTA A LA DE LA REGIÓN DE POLARIZACIÓN DIRECTA. EL POTENCIAL DE POLARIZACIÓN EN INVERSA QUE PRODUCE ESTE CAMBIO DRÁSTICO DE LAS CARACTERÍSTICAS SE LLAMA POTENCIAL ZENER Y SE REPRESENTA POR V Z.

REGIÓN ZENER

EL MÁXIMO POTENCIAL DE POLARIZACIÓN EN INVERSA QUE SE PUEDE APLICAR ANTES DE ENTRAR A LA REGIÓN ZENER SE LLAMA VOLTAJE INVERSO PICO (PIV) O VOLTAJE DE REVERSA PICO (PRV). SI UNA APLICACIÓN REQUIERE UN VALOR PIV MAYOR QUE DE UN DIODO, SE PUEDEN CONECTAR EN SERIE VARIOS DIODOS DE LAS MISMAS CARACTERÍSTICAS. LOS DIODOS TAMBIÉN SE CONECTAN EN PARALELO PARA INCREMENTAR LA CAPACIDAD DE LLEVAR CORRIENTE. A UNA TEMPERATURA FIJA, LA CORRIENTE DE SATURACIÓN EN INVERSA DE UN DIODO SE INCREMENTA CON UN INCREMENTO DE LA POLARIZACIÓN EN INVERSA APLICADA.

NIVELES DE RESISTENCIA A MEDIDA QUE EL PUNTO DE OPERACIÓN DE UN DIODO SE MUEVE DE UNA REGIÓN A OTRA, SU RESISTENCIA TAMBIÉN CAMBIA DEBIDO A LA FORMA NO LINEAL DE LA CURVA CARACTERÍSTICA. LA RESISTENCIA DEL DIODO EN EL PUNTO DE OPERACIÓN SE DETERMINA CON LOS NIVELES CORRESPONDIENTES DE V D E I D DE LA CURVA CARACTERÍSTICA Y APLICANDO LA ECUACIÓN:

EJEMPLOS: Determine los niveles de resistencia de cd del diodo de la figura con: a. I D = 2 mA b. I D = 20 mA c. V D = -10 V (POLARIZADO EN INVERSA)

SOLUCION: a. CON I D = 2 mA, V D = 0.5 V (EN LA CURVA) R D = 0.5 V/2 mA = 250 Ω B. CON I D = 20 mA, V D = 0.8 V (EN LA CURVA) R D = 0.8 V/20 mA = 40 Ω C. CON V D = -10 V, I D = -I S = -1 mA (EN LA CURVA) R D = 10 V/1 µA = 10 MΩ

EFECTOS DE LA TEMPERATURA LA TEMPERATURA PUEDE TENER UN MARCADO EFECTO EN LAS CARACTERÍSTICAS DE UN DIODO SEMICONDUCTOR COMO LO DEMUESTRAN LAS CARACTERÍSTICAS DE UN DIODO DE SILICIO DE LA FIGURA:

En la región de polarización en directa las características de un diodo de silicio se desplazan a la izquierda a razón de 2.5 mV por grado centígrado de incremento de temperatura. En la región de polarización en inversa la corriente de saturación en inversa de un diodo de silicio se duplica por cada 10°C de aumento de la temperatura. El voltaje de saturación en inversa de un diodo semiconductor se incrementará o reducirá con la temperatura según el potencial Zener.

CIRCUITOS EQUIVALENTES DEL DIODO UN CIRCUITO EQUIVALENTE ES UNA COMBINACIÓN DE ELEMENTOS APROPIADAMENTE SELECCIONADOS PARA QUE REPRESENTEN MEJOR LAS CARACTERÍSTICAS REALES DE UN DISPOSITIVO O SISTEMA EN UNA REGIÓN DE OPERACIÓN PARTICULAR. CIRCUITO EQUIVALENTE LINEAL POR SEGMENTOS

CIRCUITO EQUIVALENTE SIMPLIFICADO EN LA MAYORÍA DE LAS APLICACIONES, LA RESISTENCIA r prom ES LO SUFICIENTEMENTE PEQUEÑA EN COMPARACIÓN CON LOS DEMÁS ELEMENTOS DEL CIRCUITO PARA SER IGNORADA.

CIRCUITO EQUIVALENTE IDEAL PARA ESTO ESTABLEZCAMOS QUE EL NIVEL DE 0.7 V CON FRECUENCIA PUEDE SER IGNORADO EN COMPARACIÓN CON EL NIVEL DE VOLTAJE APLICADO.

NOTACIÓN PARA DIODOS SEMICONDUCTORES EN LA MAYORÍA DE LOS DIODOS CUALQUIER MARCA, YA SEA UN PUNTO O UNA BANDA APARECE EN EL CÁTODO.

PRUEBA DE UN DIODO LA CONDICIÓN DE UN DIODO SEMICONDUCTOR SE DETERMINA RÁPIDAMENTE UTILIZANDO: 1) UN MULTÍMETRO DIGITAL CON UNA FUNCIÓN DE VERIFICACIÓN DE DIODO; 2) LA SECCIÓN ÓHMETRO DE UN MULTÍMETRO, O 3) UN TRAZADOR DE CURVAS. FUNCIÓN DE VERIFICACIÓN DE DIODO (MULTÍMETRO) EN UN MULTÍMETRO DIGITAL SE OBSERVA UN PEQUEÑO SÍMBOLO DE DIODO. CUANDO LA PERILLA GIRATORIA SE PONE EN ESTA POSICIÓN Y SE CONECTA EN CONEXIÓN DIRECTA EL DIODO DEBERÁ ESTAR EN EL ESTADO “ON” (ENCENDIDO) Y LA PANTALLA INDICA EL VOLTAJE DE POLARIZACIÓN EN DIRECTA COMO 0.67 V (PARA Si). EL MULTÍMETRO CUENTA CON UNA FUENTE DE CORRIENTE CONSTANTE INTERNA (DE MÁS O MENOS 2 mA) QUE DEFINE EL NIVEL DE VOLTAJE. UNA INDICACIÓN OL CON LA CONEXIÓN DIRECTA REVELA UN DIODO ABIERTO (DEFECTUOSO). SI SE INVIERTEN LOS CABLES, APARECERÁ UNA INDICACIÓN OL DEBIDO A LA EQUIVALENCIA DE CIRCUITO ABIERTO DEL DIODO. EN GENERAL, POR CONSIGUIENTE, UNA INDICACIÓN OL EN AMBAS DIRECCIONES INDICA UN DIODO ABIERTO O DEFECTUOSO.

PRUEBA CON UN ÓHMETRO SI MEDIMOS LA RESISTENCIA DE UN DIODO CON LAS CONEXIONES EN DIRECTA, DEBEMOS ESPERAR UN NIVEL RELATIVAMENTE BAJO. EN POLARIZACIÓN INVERSA LA LECTURA DEBERÁ SER BASTANTE ALTA, POR LO QUE SE REQUIERE UNA ESCALA DE RESISTENCIA ALTA EN EL MEDIDOR. UNA LECTURA DE ALTA RESISTENCIA EN AMBAS CONEXIONES INDICA UNA CONDICIÓN ABIERTA (DISPOSITIVO DEFECTUOSO) EN TANTO QUE UNA LECTURA DE RESISTENCIA MUY BAJA EN AMBAS DIRECCIONES PROBABLEMENTE INDIQUE UN DISPOSITIVO EN CORTOCIRCUITO.