SEMICONDUCTORES EL DIODO - Fundación San...

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Electrónica Analógica

Unidad 6..- Semiconductores. El Diodo

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ÍNDICE

OBJETIVOS ................................................................................................. 3

INTRODUCCIÓN .......................................................................................... 4

1.1. Estructura de los semiconductores ..................................................... 5

1.2. El enlace iónico ...................................................................................... 6

1.3. El enlace covalente ................................................................................ 7

1.4. Conductores y semiconductores ......................................................... 8

1.4.1. Semiconductores .............................................................................. 9 1.4.2. Semiconductores intrínsecos ............................................................ 9

1.4.2.1. Semiconductores extrínsecos ..................................................... 10 1.4.2.2. Semiconductores extrínsecos tipo N ........................................... 10 1.4.2.3. Semiconductores extrínsecos tipo P ........................................... 11

1.5. La unión PN .......................................................................................... 12

1.5.1. Los portadores de carga ................................................................. 12 1.5.2. ¿Qué ocurre en la unión? ............................................................... 14 1.5.3. La barrera de potencial ................................................................... 14 1.5.4. Polarización de la unión PN ............................................................ 16

1.5.4.1. Polarización directa ..................................................................... 16 1.5.4.2. Polarización inversa .................................................................... 18

1.6. El diodo semiconductor ...................................................................... 20

1.6.1. Curvas características ..................................................................... 21 1.6.2. Parámetros importantes .................................................................. 24 1.6.3. Tipos de diodos ............................................................................... 25 1.6.4. Algunas aplicaciones y circuitos ..................................................... 27

RESUMEN .................................................................................................. 31


Unidad 6. Semiconductores. El Diodo

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OBJETIVOS

Identificar el componente activo más importante, diodos.

Experimentar el comportamiento práctico de los diodos cuando están formando parte de circuitos de aplicación.

Estudiar los efectos que diodos tienen sobre las señales electrónicas, base fundamental para entender cómo se puede aplicar a la realización de montajes prácticos.

UD6.- Semiconductores. El Diodo 4

INTRODUCCIÓN

La electrónica es una ciencia de aplicación que a primera vista, sea por los comentarios que venimos oyendo desde hace muchos años, sea por la escasa formación, tiene fama de cosa complicada e intocable.

La verdad es que no es lo mismo entender el funcionamiento de un motor o aplicación mecánica, donde las piezas y efectos se "ven" y se "palpan" físicamente, o una instalación hidráulica, donde el fluido se aprecia discurriendo por los conductos, que una tarjeta electrónica llena de circuitos integrados de aspecto negro siniestro (parecidos a los de Lord Vader) y acompañados por su corte de resistencias, condensadores, diodos y otros componentes de menor "rango".

El secreto de la electrónica es el conocimiento de estos componentes, y como conocimiento queremos decir el estudiar y saber qué hacen en realidad con las señales electrónicas, cuál es su efecto sobre ellas y qué va a ser lo que obtengamos a la salida.

Por otra parte se ha comprobado en la práctica que los diodos son el componente estrella de la electrónica por sus características y aplicaciones, algo parecido a la popular aspirina, que sirve para todo. Además, es muy fácil agruparlos de forma compacta en grupos llamados circuitos integrados, las renombradas "cucarachas" o "chips", asignándoles también a cada uno una función, más complicada, claro.



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1.1. ESTRUCTURA DE LOS SEMICONDUCTORES

Ya vimos en la unidad 1 alguna noción sobre la composición de los materiales, tema muy importante a la hora de entender el origen de la electricidad, como también lo es para los semiconductores. La diferencia con los materiales puramente conductores y aislantes los hace especialmente interesantes: su conductividad es función de parámetros que podemos manipular y no constructivamente de origen, sino solamente aplicando una tensión de valor y una polaridad adecuadas.

La construcción de los semiconductores se realiza a partir de materiales muy abundantes en la corteza terrestre, en concreto de silicio y de germanio. La estructura de sus átomos forma una estructura rómbica, de las muchas que podría tomar.

Átomos

Enlaces

Figura 6.1. Estructura cúbica Figura 6.2. Estructura rómbica

correspondiente a los semiconductores

Para construir la estructura, los átomos se unen formando los llamados enlaces.

Gracias a los componentes semiconductores se ha conseguido el desarrollo tan espectacular de la electrónica, uniendo a su pequeño tamaño unas características técnicas muy buenas.


1.2. EL ENLACE IÓNICO

Se caracteriza por la cesión de electrones de un átomo a otro. El ejemplo más conocido es el cloruro sódico, o sea, la sal común. Un átomo de cloro, con siete electrones en su último nivel, se une con un átomo de sodio, con un electrón en su último nivel. El sodio cede su electrón del último nivel, u órbita, con lo cual el cloro alcanza la estabilidad. Ya se ha formado el ion cloruro (-) y el ion de sodio (+) al quedar este último con más protones pero con 8 electrones en su última órbita. Con ello adquieren la configuración electrónica del gas noble más cercano.

Algunos materiales químicos tienden a ceder tres electrones de valencia para que en su penúltimo nivel queden 8 electrones. Otros, pertenecientes al grupo 5B absorberán estos tres electrones para quedarse en su último nivel con 8 electrones.



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1.3. EL ENLACE COVALENTE

Se caracteriza porque los átomos comparten electrones. Los átomos de los materiales del grupo 4B forman enlaces covalentes al compartir 4 electrones con 4 átomos de su alrededor, consiguiendo 8 electrones en su último nivel, lo que les confiere la estabilidad de gas noble.

Esta es la base de toda la teoría de la conducción de los semiconductores, además de la famosa Ley de Culomb: las cargas de distinto signo se atraen y las del mismo se repelen.

Un ion positivo es un átomo con defecto de electrones y un ion negativo es un átomo con exceso de éstos.

Cuando, en una estructura cristalina, un electrón abandona su lugar, deja una plaza libre que se denomina HUECO. Éste puede ser ocupado por otro electrón.

En el desplazamiento de los electrones en la corriente eléctrica, dejan huecos detrás y ocupan huecos delante. El efecto es que los huecos se desplazan hacia el polo negativo y los electrones hacia el positivo.


1.4. CONDUCTORES Y SEMICONDUCTORES

Ya sabemos lo que son cuerpos conductores y aislantes por su mucha conductividad o por su mucha resistividad al paso de la corriente.

Figura 6.3. Sección de átomo

Los materiales aislantes son aquéllos en los que se precisa liberar una gran cantidad de energía para provocar el paso de los electrones de la banda de valencia a la banda de conducción.

PAPEL, 40 a 100 KV./cm. de rigidez dieléctrica.

MADERA, 30 a 60 KV./cm. de rigidez dieléctrica.

MICA, 600 a 700 KV./cm. de rigidez dieléctrica.

VIDRIO, 60 a 120 KV./cm. de rigidez dieléctrica.



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1.4.1. SEMICONDUCTORES

Los semiconductores a temperatura de cero absoluto no tienen electrones libres y se comportan como aislantes. Sin embargo, a temperatura ambiente se consigue la suficiente energía para liberar electrones de la banda de valencia a la de conducción. Los más conocidos y empleados son el germanio y el silicio. Los semiconductores se caracterizan por tener cuatro electrones en su última órbita, de manera que su estructura atómica esta formada por enlaces covalentes (compartidos).

Los enlaces covalentes mantienen ligados los electrones de manera que tan sólo es posible liberarlos mediante la aplicación de energía.

Un hueco es la ausencia de un electrón en la estructura de enlaces. En un semiconductor puro o intrínseco todos los electrones forman parte de los enlaces y la ausencia de uno de ellos provoca un hueco.

1.4.2. SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS

Se denomina así a los semiconductores puros en los cuales la totalidad de los átomos son del mismo material semiconductor.

A temperatura ambiente se liberan electrones, dejando huecos en su lugar de una forma aleatoria, ahora bien, si introducimos energía, provoca la ruptura de más enlaces covalentes. Los electrones más próximos al polo positivo de una pila, por ejemplo, son atraídos por éste y abandonarán su enlace. Los electrones más próximos al negativo de la pila son repelidos y se dirigen a través de los huecos al polo positivo.

El efecto resultante es que los electrones se dirigen hacia el polo positivo y los HUECOS hacia el negativo. La corriente de un semiconductor está formada por los dos tipos de flujos: el de electrones en un sentido y el de huecos en sentido contrario.

Los dos flujos anteriormente citados estarían compuestos por portadores de carga eléctrica, los electrones de negativas y los huecos, podemos considerarlos para mejor entendimiento, de positiva.


1.4.2.1. SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS

Con el fin de aumentar la conductividad de los semiconductores denominados extrínsecos impurificados o dopados, se les añaden impurezas, que no son sino elementos de los grupos 3B ó 5B de la tabla de los elementos químicos. Según el tipo de impureza con la que han sido dopados los semiconductores se clasifican en tipo N o tipo P.

1.4.2.2. SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS TIPO N

Al sustituir dentro de la estructura de enlaces covalentes un átomo de silicio por uno de arsénico que, como sabemos, tiene no 4 sino 5 electrones de valencia, queda un electrón libre dentro del conglomerado, que a temperatura de cero absoluto se sitúa en un nivel discreto de energía muy próximo a la banda de conducción. Para liberarlo hace falta muy poca energía, de manera que a temperatura ambiente pasa a la banda de conducción.

GRUPO 5B

ANTIMONIO Sb

FÓSFORO P

ARSÉNICO AS

Figura 6.4. Semiconductor tipo N

Al cristal así formado se le denomina semiconductor extrínseco de tipo N, y las impurezas pentavalentes reciben el nombre de impurezas donadoras, por la cualidad del cristal resultante de donar electrones.

La mayoría de portadores existentes en el semiconductor tipo N, son los electrones que reciben el nombre de PORTADORES MAYORITARIOS.



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El número de huecos es muy reducido y se les denomina PORTADORES MINORITARIOS.

Los portadores mayoritarios proceden de la ionización de las impurezas, mientras que los minoritarios proceden siempre de la ruptura de enlaces covalentes.

1.4.2.3. SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS TIPO P

Si a un semiconductor puro se le añaden impurezas del grupo 3B, como el aluminio (Al), el galio (Ga), el boro (B) o el indio (In) que tienen tres electrones de valencia se obtiene un semiconductor tipo P.

Aparece un HUECO en la estructura molecular del enlace que realizará la misión junto con los otros huecos de ser los portadores mayoritarios de este tipo de cristal. Los portadores mayoritarios proceden siempre de la ionización de las impurezas, mientras que los portadores minoritarios se originan siempre por la ruptura de los enlaces covalentes.

Aunque los dos cristales P y N tienen estructura eléctrica neutra, al tener todos sus átomos el mismo número de electrones que de protones, se acostumbra a decir que el cristal P es positivo y el N es negativo.

Al aplicar tensión a un semiconductor de tipo P cuyos portadores son los huecos, el polo positivo de la fuente de alimentación inyecta huecos que repelen a los portadores mayoritarios del cristal. Éstos se desplazan del polo positivo al negativo de la fuente de alimentación, donde son absorbidos por el negativo.

Figura 6.5. Semiconductor tipo P

También podemos decir que el positivo absorbe electrones que son inyectados por el negativo y atraviesan el cristal a través de los huecos.


1.5. LA UNIÓN PN

Cuando verdaderamente se apreció la eficacia y utilización que tienen los semiconductores fue cuando se unió físicamente, poniendo uno junto a otro, dos semiconductores, uno P y otro N:

N P

Cristales

Zona de unión

Figura 6.6. Unión PN

Donde verdaderamente ocurren los fenómenos es en la zona de unión, de la que hablaremos en las próximas páginas, y que es el resultado de la conexión de los dos cristales semiconductores.

1.5.1. LOS PORTADORES DE CARGA

Hemos hablado hace escasos momentos del efecto de introducir impurezas en un semiconductor, obteniendo dos tipos de cristales:

Cristal P

Los huecos son los portadores mayoritarios, y proceden del grupo 3, aceptadores. Los electrones son los portadores minoritarios y proceden de rupturas accidentales de los enlaces covalentes.

-

-

-

-

-

-

-

-

-

huecos

aceptadores

semiconductor

Figura 6.7. Cristal P



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Cristal N

Los electrones son los portadores mayoritarios y proceden de la ionización de las impurezas donadoras. Los huecos serán los portadores minoritarios y proceden de la rotura de enlaces covalentes.

electrones

donadores

semiconductor

+ + +

+

+

+ +

+

+

+

Figura 6.8. Cristal N

Lo más importante es entender que en un cristal tipo P abundan los huecos, y en uno de tipo N, son los electrones la mayoría.

Por otra parte ha de quedar claro que ambos cristales son eléctricamente neutros, es decir, existe el mismo número de electrones que de protones en la estructura cristalina.

Los portadores minoritarios de cada clase en un determinado cristal producen efectos despreciables y generalmente se desestiman en aplicaciones prácticas.


1.5.2. ¿QUÉ OCURRE EN LA UNIÓN?

Como hemos comentado, ambos cristales son eléctricamente neutros, sólo que en uno de ellos sobran electrones y en el otro huecos. Esta estructura afecta únicamente a sus propiedades y comportamiento químico. Por ese exceso de portadores de carga, cuando unimos los dos cristales comienzan a ocurrir interesantes fenómenos eléctricos en la zona de unión, que rápidamente pasaremos a analizar.

1.5.3. LA BARRERA DE POTENCIAL

¿Por qué ambos cristales son neutros si cada uno tiene exceso de una cosa? Pues porque en el N, a cada electrón libre de carga negativa le corresponde un ion donante, cuya carga es positiva. Asimismo, en un cristal P, a cada hueco con carga positiva se le puede asociar un portador con carga negativa.

Es en la unión, cuando los electrones más fronterizos del cristal de tipo N se ven atraídos por los huecos del cristal P y atraviesan la unión para recombinarse.

-

-

-

+

+

+

-

-

-

-

-P

N

Electrones

Huecos

Figura 6.9. Paso de portadores mayoritarios (electrones) del cristal N al P

La ausencia de esos electrones en el cristal N origina una ionización en el cristal N, que se quedará cargado positivamente. El cristal P, como adquiere esos electrones de carga negativa, se ionizada de carga negativa. Poco a poco los electrones más próximos a la unión (ya no sólo los de la primera fila) se irán pasando al cristal P para seguir recombinándose.

Como sabemos, las cargas de igual signo se repelen, de manera que los electrones que se recombinan van calando cada vez más fuerte en el cristal P, hasta que son capaces de rechazar a los que todavía quedan en el cristal N.



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Aunque su deseo de pasar es muy fuerte, llega un momento en el que esto es imposible, estableciéndose un equilibrio que se traduce en la aparición de un campo eléctrico asociado a la barrera que se opone a su flujo.

P

N

-

-

-

-

-+

+

+

+

+

-

-

-

V

Electrones que yano pueden saltar yson rechazados

Figura 6.10. Campo eléctrico asociado a la barrera

El potencial formado se denomina potencial de barrera, o potencial de contacto, y oscila, según la temperatura, la unión y la naturaleza de los cristales, entre 0,3 y 0,7 voltios.

-

-

-

-

-

+

+

+

+

+

Zona P Zona N

V

Germanio 0,3VSilicio 0,7V

Figura 6.11. Diferentes tensiones en la barrera


1.5.4. POLARIZACIÓN DE LA UNIÓN PN

Hemos comentado el equilibrio a que llega una unión PN. Los electrones del cristal N no son capaces de "saltarla" por sí mismos, y la barrera se estabiliza. La única manera de que esos electrones "salten" es mediante el aporte de energía desde el exterior. Para, se les aplica una pequeña operación: se les conecta una fuente de tensión externa. Con esto, que se llama "Polarización de la unión PN", conseguimos unos nuevos efectos en la unión que vamos a ver a continuación

1.5.4.1. POLARIZACIÓN DIRECTA

Es una de las formas de conectar la fuente de tensión a la unión. Se trata de conectar el polo positivo de la pila al cristal P, y el negativo al cristal N.

Mostrar escritorio.scf

P N

IF

VF

Electrones

Huecos

Figura 6.12. Polarización directa

En estas condiciones, el polo negativo de la pila suministra electrones al cristal N (cuyos portadores mayoritarios son los electrones) y el positivo inyecta huecos o recoge electrones del cristal P.

De esta forma, los electrones existentes en el cristal N se ven repelidos con la suficiente fuerza como para saltar la barrera y alcanzar los huecos del cristal P.



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En estas condiciones vemos que aparece una corriente eléctrica a través de la unión PN, se trata de un circuito eléctrico cerrado, siendo así solamente cuando el potencial de la polarización exterior alcance y supere el potencial de la unión. Así, por ejemplo, una unión PN de Silicio (0,7 V de tensión de barrera) polarizado directamente permitirá el paso de la intensidad de corriente al aplicarle una batería de más de 0,7 V. En caso contrario no existirá intensidad

Podemos dibujar el circuito de prueba:

P N

V

A+

-+

R

V12V

Lectura enamperimetro.

Tensión variablede 0V a 12V.

Figura 6.13. Conducción en polarización directa

Para ver los efectos de la tensión, se va variando el valor de la resistencia R, lo que implica una variación de la tensión aplicada a la unión PN de 0V a 12 V, y realizando lecturas en el amperímetro. Como ya adivinará, existe un intervalo de tensión donde prácticamente no tendremos corriente. La curva quedará como sigue:

0,7V

IF (mA)

IF

VF (V) Figura 6.14. Gráfica tensión/corriente

Representamos la corriente directa (Forward Courrent, IF) y la tensión directa (Forward Voltage). Se aprecia un aumento muy grande de la corriente a partir de 0,7V, siendo muy pequeña en intervalos anteriores.


1.5.4.2. POLARIZACIÓN INVERSA

Si colocamos el polo positivo de la pila al lado N y el polo negativo al lado P, la unión queda polarizada inversamente.

NP

Huecos

Electrones

Figura 6.15. Polarización inversa

En esta conexión, el polo positivo de la pila absorbe los electrones existentes en el lado N, y el polo negativo absorbe los huecos del lado P. Puede considerarse como un retirada o aniquilación de los portadores mayoritarios conseguidos de antemano en cada cristal.

El hecho es que se ha producido un ensanchamiento de la barrera de potencial, que en la práctica alcanza el mismo valor que el de la batería, en estas condiciones es muy difícil, por no decir imposible, saltarla, y la corriente es nula, comportándose la unión como un circuito abierto.

Si por efecto de la temperatura se genera algún portador minoritario (electrones en el cristal P o huecos en el N), se ve repelido por el polo de la pila de carga eléctrica de igual signo, saltando la barrera para ser absorbido por el polo contrario. Así puede crearse una pequeña corriente que se suele denominar corriente de fugas o corriente inversa de saturación.

La corriente de fugas es un parámetro indeseable pues si lo que realmente queremos es cortar una corriente, cuantos menos electrones se cuelen, mejor. Por eso en semiconductores se suele emplear más el material silicio que el germanio, pues este último es más sensible a la temperatura y permite el paso de más corriente de fugas en polarización inversa.

Y en cuanto a la resistencia de la unión, ¿es tan potente como para no permitir el paso de corriente en ninguna circunstancia? ¿Nada ni nadie puede romperla? La unión PN polarizada inversamente tiene un límite, y puede romperse si el potencial aplicado aumenta mucho, produciéndose un efecto al que han bautizado de forma muy acertada: se trata del efecto avalancha.



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Al aplicar mucha energía con el potencial de la pila, los portadores minoritarios (electrones en el cristal P) pueden acelerarse y chocar con otros átomos, rompiendo los enlaces y originando otros portadores que, a su vez, destruyen nuevos enlaces. Las matemáticas son muy indicativas en este tipo de progresiones, de tal manera que en un momento puede destruirse la unión y producirse una corriente de polarización inversa. En este caso ya no hay marcha atrás, despidiéndonos para siempre de la unión PN, a la que hemos torturado tan impunemente.

Podemos imaginar el circuito eléctrico de polarización inversa como una máquina de torturas para la unión PN y obtener la nueva respuesta:

PN

V

A+

R

VR

tensión variablede 0V a VR

lectura enamperímetro.

Circuito.

+ -

tensión de rupturaVR

IR

Curva de respuesta

Figura 6.16. Corrientes en polarización inversa

Siguiendo con términos muy apropiados, se llama tensión de ruptura a la que produce la destrucción de la unión, parámetro muy importante y a tener en cuenta cuando vayamos a un comercio a comprar un semiconductor.

Hasta aquí hemos visto la filosofía y teoría de funcionamiento de los semiconductores, su forma de actuar y sus posibilidades. A continuación estudiaremos los componentes electrónicos que se construyen empleando esta tecnología.


1.6. EL DIODO SEMICONDUCTOR

El diodo semiconductor es el componente electrónico basado en semiconductores más sencillo. Su aspecto externo depende de las características del mismo, aunque generalmente los más vistos tienen forma cilíndrica negra con una franja blanca en un extremo.

cuerpo

A

K

bandablanca

terminalesde conexión

metálicos A K

símboloeléctrico

Figura 6.17. El diodo (su forma externa)

Figura 6.18. Diodos normales Figura 6.19. Diodos de potencia

Su constitución interna es una unión PN simple encapsulada, con dos electrodos que se unen a los terminales de conexión. En la siguiente figura aparecerá gráficamente con su símbolo representativo para los circuitos.

NPÁnodo (A) Cátodo (K)

(A) (K)

Figura 6.20. Representación del diodo



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Los nombres que reciben los terminales son ánodo y cátodo. Como ya conocemos el funcionamiento de una unión PN, podemos intuir para qué va a servir el diodo y además resaltamos la importancia de diferenciar los terminales y la conexión del diodo.

1.6.1. CURVAS CARACTERÍSTICAS

Sumergiendo un diodo en un circuito eléctrico, nos aparecen dos formas o resultados de polarización: inversa y directa, dependiendo de qué polos sean conectados a qué terminales. Con los mismos montajes que usamos para obtener las curvas características podemos probar el diodo.

VR

V. ruptura

I. fugas

Polarizacióninversa

IF

0,7V

VF

Polarizacióndirecta

conducción

-A

V+ -

+

Polarización directa.

A

V+ -

+

Polarización inversa.

IR

Figura 6.21. Curva característica del diodo

Como resumen de funcionamiento hay que decir que un diodo se asemeja a una válvula unidireccional, de tal manera que permite el paso de corriente cuando se encuentra directamente polarizado, quedándose con la tensión directa de polarización (siempre a tener en cuenta), y no permite el paso cuando se encuentra inversamente polarizado. En este caso, se comporta como un interruptor abierto.


En circuitos de aplicación los diodos polarizados directamente deben tener una resistencia limitadora para su protección, pues una excesiva corriente directa también puede destruirlos. Vamos a ver esto con un ejemplo.

Imaginemos un diodo polarizado directamente con una batería de 12 Voltios.

12V IA

K

Figura 6.22. Diodo directamente polarizado

El equivalente de este circuito será el siguiente:

I

r

Vo

12V

diodo

Figura 6.23. Circuito equivalente de un diodo directamente polarizado

Donde Vo representa la tensión directa de polarización y r la resistencia interna que presenta la unión PN por construcción, denominada resistencia dinámica.

Si realizamos un cálculo de intensidad tenemos:

I = r

11,3Vr0,712

rVo12V

Debido a que la resistencia dinámica es muy pequeña, la intensidad puede ser de varios amperios, valor sin importancia en cálculos teóricos, pero que en montajes prácticos puede llevar a destruir la unión y a los terminales por la potencia disipada en su interior, siempre convertida en calor. Por ello los fabricantes aconsejan una corriente máxima de polarización directa, que no se puede sobrepasar, so pena de mal funcionamiento del diodo e incluso su destrucción.



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Por ejemplo, si un diodo tiene una intensidad directa máxima de 100 mA, tenemos que añadir resistencias limitadoras de alto valor, que al compararlas con la dinámica del diodo, lleven a despreciar ésta, mucho más pequeña. Así, el circuito quedaría:

12V R

+

-0,7V Diodo

I

12V = I·R + Vdiodo

12V = R·I + 0,7

I= 12 - 0,7

R

Para hacer circular una corriente de 50 mA, por ejemplo (funcionamiento normal del diodo del ejemplo), deberíamos colocar una resistencia de:

50 mA= R

11,3 R =

mA 5011,3

= 226

La polarización inversa no suele dar muchos problemas, teniendo o no resistencia limitadora. Si conectamos el diodo del ejercicio anterior de manera inversa, tenemos el siguiente circuito, su equivalente en la práctica:

12V

Diodo

+

-

I fugasR

+

-

I = 0 R

12V

Diodo

Equivale en lapráctica a

Figura 6.24. Diodo inversamente polarizado y circuito equivalente

Si aumentamos el valor de la tensión de polarización hasta el valor de ruptura, que también lo da el fabricante (por ejemplo 100 V para el diodo del ejemplo) el circuito quedará, en equivalencias, así:


I R

Diodo con launión destruida

V

Figura 6.25. Circuito equivalente de un diodo inversamente polarizado con la unión destruida

La corriente sería I = RV

Acuérdese siempre del asunto de la polarización y del efecto de conducción o no conducción. Es el secreto de la potencia de los diodos.

1.6.2. PARÁMETROS IMPORTANTES

Todos los componentes electrónicos, como todas las cosas, tienen unos parámetros importantes que indican sus características, cuál es mejor que otro y cuál podemos utilizar en una determinada aplicación. Éstos son:

Tensión directa umbral

Tiene un valor de 0,7 V en silicio, y 0,3 en germanio

Corriente inversa

Generalmente suele ser despreciable aunque conviene observar que no es muy grande.

Corriente directa

Es la que soporta el diodo en conducción.

Tensión inversa máxima

Valor muy importante en aplicaciones en las que el diodo soporta a intervalos tensiones inversas.



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1.6.3. TIPOS DE DIODOS

Dicen que cada uno cuenta la historia según como le ha ido. En electrónica existen miles de componentes con sus características específicas para cada aplicación, aunque, por supuesto, en la práctica el uso se reduce a un par de tipos, más aún en el caso de unos componentes como los diodos.

En general los que más se usan son los "diodos rectificadores", llamados así porque se usan mucho en labores de rectificación. Pero pedir en un comercio un diodo rectificador es como presentarse en un concesionario de coches y decir "quiero un diesel". Dentro de este abanico existen muchos modelos y en concreto el más empleado es el diodo rectificador 1N4007, fabricado por varias empresas de componentes. Como puede ver, nos hemos acercado más al modelo de diesel deseado. Esa marca identifica completamente al componente y suele ir rotulada en el cuerpo físico del diodo.

Figura 6.26. Diodo comercial 1N4007

Otro diodo de gran utilización en montajes electrónicos es el 1N4148, tiene una fabricación más cuidada y mejor respuesta a frecuencias elevadas, pero unas características de tensión inversa y corriente directa más reducidas.

Para completar este repaso a los tipos de diodos comerciales vamos a poner a prueba su resistencia, mostrándole un ejemplo de características de diodos tal y como se muestran en los catálogos o "handbooks" de los fabricantes.


Así pues un fabricante nos proporciona un catálogo donde podemos ver:

Designación de componente

VR Max (V) IF (A) Tiempo de

conmutación (ns) Ptot.(W)

VF max (V) a IF (mA)

1N4148 75 0,15 4 0,1 1 a 10

La verdad es que aparentemente es un poco difícil de comprender; el secreto consiste en "traducir" el significado de las siglas e indicaciones. Así, VR Max (V) indica tensión inversa máxima en voltios. Como podemos ver es 75 V. La IF representa la corriente directa máxima en A, el tiempo de conmutación en nanosegundos aparece debido a que el 1N4148 es un diodo de señal que se utiliza con señales de frecuencia elevada y debe responder a esos cambios rápidos de nivel. La potencia total (Ptot en vatios) que puede soportar la cápsula, y por último, VF máx. (V) a IF (mA) es la tensión directa máxima en voltios a una determinada corriente directa en mA.

Otro caso se nos puede presentar como sigue:

Designación de componente

VR Max (V) IF (A) Tiempo de

conmutación (ns)

Ptot.(W) VF max (V) a IF

(mA)

1N4007 1000 1 1,1 a 10 5 D015

La tensión inversa se denomina aquí VRRM .Vemos que es sensiblemente superior a la del 1N4148, al igual que la IF (intensidad directa). Comprobamos también la IR (componente de fugas) a VRRM (1000V) viendo que es de sólo

5A. El encapsulado, D015, indica la forma de la cápsula de una manera

normalizada, tanto en medidas como en colores. Como ve, para nada indica algo acerca de los tiempos de conmutación. Con estos valores de VRRM e IF, el tiempo de conmutación de un diodo 1N4007 sería mucho mayor que el de 1N4148. Además, ¿no hemos dicho que el experto en conmutación es el 1N4148?



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.034

.028(.86)(.71)

1.0 (25.4)MIN

.205

.160(5.2)(4.1)

1.0 (25.4)MIN

.107

.080(2.7)(2.0)

Figura 6.27. Medidas normalizadas de un diodo 1N4007

Muy bueno a altas frecuencias.

Baja corriente directa.

Alta tensión inversa.

Malo a altas frecuencias.

Alta corriente directa.

Baja tensión inversa.

1N4148

1N4007

Bueno para rectificar

1.6.4. ALGUNAS APLICACIONES Y CIRCUITOS

Lo mejor para entender el funcionamiento de los diodos es atacar varios ejemplos de aplicación. Veamos alguno.

Vcc12V

I R100K

VR

VD

VD1

VD2

D11N4007

D21N4007

Figura 6.28. Diodos en serie


Aplicando la Ley de Ohm tenemos:

Vcc = VR + VD1 + VD2

VD1 + VD2 = VD; 0,7+0,7 = VD = 1,4 V

Como podemos ver, la tensión de diodos en serie se suma como si de resistencias se tratase. Calculando la intensidad por el circuito tendremos:

Vcc = R·I + VD

I = 100K10,6

100K1,412

RVDVcc

= 0,106 mA

Diodos en paralelo

Cuando se necesitan corrientes elevadas y se dispone de diodos que no las soportan, es posible conectarlos en paralelo para que la corriente total se reparta entre ellos.

I1

I2I

I

D1

D2

I1 + I2 = I

I1 = I2 < I

Figura 6.29. Asociación de diodos en paralelo

El montaje, que a primera vista no tiene problemas, no puede funcionar en la práctica debido a que resulta imposible que los diodos sean exactamente iguales, por lo que uno de ellos entra en conducción antes que el otro, provocando el bloqueo del que todavía no conduce.

Para resolver este problema, se debe situar una resistencia de pequeño valor en serie con cada uno de los diodos. Así se compensa la escasa diferencia que puede existir en cuanto a tensión de umbral, y hace posible la conducción simultánea de ambos diodos.

I

II1

D1

D2

<0,5

<0,5 I2

Figura 6.30. Corrección con resistencias del circuito de la anterior figura para su correcto funcionamiento



29

Obtención de tensiones de referencia con diodos

En ocasiones es necesario disponer de una tensión fija, sobre todo en circuitos eléctricos de precisión, para alimentar a una carga. Estas tensiones por lo general son distintas a las que suministra la batería o fuente de alimentación principal de nuestro circuito.

Si obtenemos esa tensión mediante un divisor resistivo, corremos el riesgo de que pequeñas fluctuaciones de corriente varíen la tensión de alimentación. Vamos a ver esto con un ejemplo.

Disponemos de una tensión de alimentación (una batería, por ejemplo, en un vehículo) de 12 Vcc y deseamos alimentar un circuito electrónico (un cuenta kilómetros) a 1,4 V y 5mA, tal como aparece en la figura siguiente:

Circuito

+Vcc12V

R1

R2

5mA

I2

I1

1,4V

Figura 6.31. Circuito para obtener tensiones de referencia

Para conseguir esa tensión puede plantearse un divisor de esas características iniciales, calculando las resistencias. Aplicando la Ley de Ohm tenemos:

Vcc = VR1 + VR2

I2 = I1 + 5 mA

Si fijamos I1 (voluntariamente) a 10mA, tenemos que I2 = 15 mA

Y siguiendo con los cálculos:

Vcc = R1·I2 + R2·I1; R2·I1 = VR2= 1,4 V deseados

Vcc= R1·I2+1,4V; 12= R1·I2+1,4V


R1 = mA 151,412

I21,412

=706 ; R2 = mA10

1,4I1

VR2 = 140

¿Cuál es el problema de este circuito? A pequeñas variaciones de la corriente de consumo o incluso de la fuente de 12 V, la tensión de 1,4 se desplazará de valor y peligrará el circuito. La solución es emplear diodos.

¿Se ha dado cuenta de que la tensión en bornas de un diodo no varía aun con las condiciones anteriores? Dependiendo de la tensión a fijar pondremos un determinado número de diodos, pudiendo combinar los rectificadores (0,7 V) con los de germanio (0,3V), para alcanzar tensiones de varios valores. El circuito sería el siguiente:

Tensión a fijar 1,4V; Tensión directa diodos de Silicio 0,7V (1N4007).

Nº diodos = 7,04,1

= 2.

Circuito

+ Vcc12V

I2

I1

1,4V

R

0,7V

0,7V

5mA

Figura 6.32. Circuito para obtener las tensiones de referencia

Si fijamos I1 a 1 mA (por debajo de la corriente máxima directa):

Vcc= R·I2 + 1,4 V

I2 = I1 + 5 mA

Si I1= 1mA, I2 = 6 mA

R = mA 6

1,412 = 1766

Si la tensión a fijar fuera de 3,1 V, pondríamos 4 diodos de silicio de 0,7 V (total 2,8 V) y uno de germanio de 0,3: 0,7+ 0,7 + 0,7 + 0,7 + 0,3 = 3,1V. Lógicamente habrá tensiones muy extrañas que no podamos completar con diodos, aunque, seguramente, las podremos aproximar.



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RESUMEN

Los materiales semiconductores, por su estructura y características, se encuentran a medio camino entre los conductores (permiten el paso de la corriente de forma fácil) y los aislantes (no permiten el paso de la corriente).

Los materiales semiconductores son de dos tipos llamados cristal N y cristal P.

En el cristal N, a base de silicio, se introducen materiales del grupo 5B, apareciendo un electrón libre por cada átomo intercambiado. A esta operación se le llama "dopado" del cristal N.

En el cristal P, a base de silicio, se introducen materiales del grupo 3B, apareciendo un "hueco" por cada átomo intercambiado. También hemos "dopado" el cristal P.

Se dice que los electrones son los portadores negativos del cristal N, porque es de lo que más abunda en este tipo de cristal. En el cristal P serán los huecos los portadores mayoritarios.

Al unir físicamente un cristal P y un cristal N se producen unos fenómenos en la zona de unión que determinan la aparición de una barrera de potencial por el intercambio de portadores. Esta tensión suele ser de 0,7V.

Un diodo semiconductor aprovecha las características de la unión PN para conducir cuando se encuentra directamente polarizado, y no conducir cuando se encuentra inversamente polarizado.

La corriente de fugas se produce en un diodo inversamente polarizado. Le afecta enormemente la temperatura y sus efectos son indeseables.

Los diodos comerciales más conocidos son el 1N4148 y el 1N4007, uno de germanio y el otro de Silicio, respectivamente.

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