UNIDAD 1: SEMICONDUCTORES Y DIODOS

1.-CONDUCTORES, DIELÉCTRICOS Y SEMICONDUCTORES.

Se dice que un cuerpo es conductor eléctrico cuando puesto en contacto con un cuerpo cargado de

electricidad transmite ésta a todos los puntos de su superficie. Son conductores eléctricos aquellos materiales

que tienen electrones de valencia relativamente libres. Los elementos capaces de conducir la electricidad

cuando son sometidos a una diferencia de potencial eléctrico más comunes son los metales, siendo el cobre

el más usado, otro metal utilizado es el aluminio y en aplicaciones especiales se usa el oro.

Tipo de Conductor Ejemplo Características

Solidos Metales Buenos conductores eléctricos

y térmicos. Tienen valencias

positivas, tienden a formar

óxidos básicos.

Líquidos El agua, con sales como

cloruros, sulfuros y

carbonatos

Las sales actúan como

agentes reductores, es decir,

donantes de electrones

Gaseosos Nitrógeno, neón Tienen valencias negativas, es

decir, tienden a adquirir

electrones

Un semiconductor o dieléctrico es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante

dependiendo del campo eléctrico en el que se encuentre, capaz de conducir la electricidad mejor que un

aislante, pero peor que un metal. El elemento semiconductor más usado es el silicio. De un tiempo a esta

parte se ha comenzado a emplear también el azufre. La característica común a todos ellos es que son

tetravalentes.

Los materiales aislantes deben tener una resistencia muy elevada, requisito del que pueden deducirse las

demás características necesarias. La mayoría de los no metales son apropiados para esto pues tienen

resistividades muy grandes. Esto se debe a la ausencia de electrones libres.

2.- CONDUCCIÓN EN UN SEMICONDUCTOR

Cuando a un elemento semiconductor le aplicamos una diferencia de potencial o corriente eléctrica, se

producen dos flujos contrapuestos: uno producido por el movimiento de electrones libres que saltan a la

“banda de conducción” y otro por el movimiento de los huecos que quedan en la “banda de valencia”

cuando los electrones saltan a la banda de conducción.

Si analizamos el movimiento que se produce dentro de la estructura cristalina del elemento

semiconductor, notaremos que mientras los electrones se mueven en una dirección, los huecos o agujeros se

mueven en sentido inverso. Por tanto, el mecanismo de conducción de un elemento semiconductor consiste

en mover cargas negativas (electrones) en un sentido y cargas positivas (huecos o agujeros) en sentido

opuesto.

3.- SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS Y EXTRÍNSECOS.

Intrínsecos:

Se dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no

contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de

huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la

cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción.

Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de

los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la

atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. Esos electrones libres saltan a la banda de

conducción y allí funcionan como “electrones de conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un

átomo a otro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con

el paso de una corriente eléctrica.

Extrínsecos:

Cuando a la estructura molecular cristalina del silicio o del germanio se le introduce cierta alteración, esos

elementos semiconductores permiten el paso de la corriente eléctrica por su cuerpo en una sola dirección.

Para hacer esto posible, la estructura molecular del semiconductor se dopa mezclando los átomos de silicio o

de germanio con pequeñas cantidades de átomos de otros elementos o "impurezas".

Generalmente los átomos de las “impurezas” corresponden también a elementos semiconductores que,

en lugar de cuatro, poseen tres electrones en su última órbita [como el galio (Ga) o el indio (In)], o que poseen

cinco electrones también en su última órbita [como el antimonio (Sb) o el arsénico (As)].

En la actualidad el elemento más utilizado para fabricar semiconductores para el uso de la industria

electrónica es el cristal de silicio (Si) por ser un componente relativamente barato de obtener.

4.- LA UNIÓN P-N

Se denomina unión PN a la estructura fundamental de los componentes electrónicos

comúnmente denominados semiconductores, principalmente diodos y transistores

Barrera interna de potencial.

Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p. Al establecerse

estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe

diferentes denominaciones como barrera interna de potencial, zona de carga espacial, de

agotamiento o empobrecimiento, de deplexión, de vaciado

Polarización directa de la unión P - N

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.

Se produce cuando se conecta el terminal positivo de la pila a la parte P de la unión P - N y la

negativa a la N. En estas condiciones podemos observar que:

El terminal negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos

electrones se dirigen hacia la unión p-n.

El terminal positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es

equivalente a decir que empuja los huecos hacia la unión p-n.

Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia

de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la

energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han

desplazado hacia la unión p-n.

Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga

espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de

valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por la terminal positiva de la batería y

se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce

en el hilo conductor y llega hasta la batería.

Es asumir el comportamiento de un diodo como un interruptor cerrado.

Átomo pentavalente con un

electrón en su orbital de

conducción

Átomo trivalente con un

hueco en su orbital de

valencia.

Ion positivo

Ion negativo

Ejemplo.-

La vertical es equivalente a una fuente de 0,7V.

Un diodo de silicio está en serie con una resistencia de 2kΩ y con una fuente de tensión de 10 V.

¿Cuál será, aproximadamente, la intensidad en el circuito si el diodo tiene polarización directa?

a) Hallar I

b) Si la caída medida en el diodo es de 0,6 V con 1 mA, hallar con más exactitud de valor de la

corriente en el circuito.

c) Si se invierte la batería y la tensión de ruptura del diodo es de 7 V, hállese la corriente en el

circuito.

d) Si se añade en serie y oposición (los dos ánodos unidos) un segundo diodo idéntico al

anterior, ¿cuál será aproximadamente la corriente en el circuito?

e) Si se reduce a 4V la tensión de alimentación del apartado d), ¿Cuál será la corriente?

a) ¿I? Diodo de silicio 𝑉ℸ = 0.6𝑣𝑉𝐷 = 0.7𝑣

𝐼 =𝑉𝑟

𝑅=

10 − 0.7

2

𝑣

𝑘Ω= 4.65𝑚𝐴

b) 𝐼 = 𝐼𝑜(𝑒𝑣

𝑛𝑉𝑇 − 1)

𝐼𝑜 =10−3

𝑒600

2∗26 − 1= 0.75

Para 𝐼 = 4.65𝑚𝐴 → ¿ 𝑉𝐷?

4.65 ∗ 10−3 = 9.75 ∗ 10−9 (𝑒𝑣

2∗26 − 1)

𝑉𝐷 = 679.9𝑚𝑉

𝐼´ =10 − 0.6799

2= 4.66𝑚𝐴

c) Se invierte 𝑉𝐵𝐴𝑇 𝑦 𝑉𝑍 = 7𝑉

d) Se añade otro diodo en serie y oposición

𝐼 =𝑉𝑅

𝑅=

10 − 0.7 − 7

2= 1.15𝑚𝐴

e) Se reduce 𝑉𝐵𝐴𝑇 𝑎 4𝑣

𝐷1 𝑂𝐹𝐹 ⇒ 𝐼 = 𝐼0

𝐼 = 𝐼0 = 9.75𝑛𝐴

Polarización inversa de la unión P - N

En este caso, la terminal negativo de la batería se conecta a la zona p y el terminal 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.

El terminal positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen del

cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la

batería. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes

que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción,

adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de valencia, ver semiconductor y átomo) y

una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos.

El terminal negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p.

Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que

han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones

de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los

electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con

lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y

una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos.

Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el

mismo potencial eléctrico que la batería.

Es asumir el comportamiento de un diodo como un interruptor abierto.

Ejemplo.-

En el circuito de la figura, la tensión de ruptura inversa de los diodos es VZ1 = 10V y VZ2= 8V.

Hallar las intensidades I1, I2 e I3, indicando el estado de los dos diodos

Entonces tenemos que:

𝐼2 = 𝐼3 = 10

400 + 300= 14.285 𝑚𝐴

𝐼1 = 20 − 10

600= 16.66 𝑚𝐴

5.- LA ECUACIÓN DEL DIODO.

El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor a William Bradford

Shockley) que permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayoría de las aplicaciones.

La ecuación que liga la intensidad de corriente y la diferencia de potencial es:

𝐼 = 𝐼𝑠 (𝑒𝑉𝐷/(𝑛𝑉𝑇) − 1)

Dónde:

I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo

VD es la diferencia de tensión entre sus extremos.

IS es la corriente de saturación (aproximadamente 10−12 𝐴)

n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo y que suele adoptar

valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio).

El Voltaje térmico VT es aproximadamente 25.85mV en 300K, una temperatura cercana a la

temperatura ambiente, muy usada en los programas de simulación de circuitos. Para cada

temperatura existe una constante conocida definida por:

𝑉𝑇 = 𝑘𝑇

𝑞

Donde k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta de la unión pn, y q es la

magnitud de la carga de un electrón (la carga elemental).

6.- CURVA CARACTERÍSTICA DEL DIODO.

En la figura se representa esquemáticamente las curvas características de los diodos semiconductores

de Silicio y Germanio donde podemos observar el comportamiento de la corriente y el voltaje cuando está

polarizado directa o inversamente.

Resumen

1. En polarización directa solamente son necesarias unas pocas centésimas de voltaje para originar

aumentos de corriente considerables

2. En polarización inversa corrientes muy significantes se originan por cambios grandes del voltaje hasta

el punto en el cual se alcanza el valor del voltaje de ruptura.

3. Tan pronto se sobrepasa el voltaje de ruptura, la corriente se incrementa considerablemente en

polarización inversa hasta alcanzar el punto cíe máxima disipación de potencia la cual es destructiva para el

diodo.

4. Ya sea en polarización directa o inversa el diodo se daña si se sobrepasa el valor de máxima

disipación de potencia

Voltaje Pico Inverso

El máximo potencial de polarización inversa que puede aplicarse antes de entrar en la región Zéner se

denomina Voltaje Pico Inverso o VPI nominal.

7.- PARÁMETROS DE ESPECIFICACIONES DE DIODOS.

Toda hoja de caracteristicas suele estructurarse de la siguiente forma:

- Descripcion externa y enftizda de las caracteristicas mas interesntes del elemento. Ambas se efectuan

de una forma general y sin incorporar medidas o parametros especificos. Adicionalmente puede darse

el patillaje del elemento.

- Valores limites: se coresponden con las caracteristicas del elemento. Normalmente, el fabricante,

agrupará las caracteristicas por grupos (termicas, dinamincas, estaticas, etc.) indicando en todo

momento las condiciones en que se han realizado las medidas par obtener los valores dados. Los

valores se suelen dar indicando los extremos maximos y minimos admisibles, tmbien puede darse el

valor típico o medio en algunos fabricantes.

- A contnuación se presentaran las curvas caracteristicas ms apropiadas al tipo de diodo que tratemos.

Normalmente hbrá una serie de curvas que aparecerán en todas las hojas sea cual sea el tipo de

diodo y otras que solo las dara el fabricante si son necesarias para poder trabajar con el elemento.

Tmbien es posible que se adjunte la definicion de algun parametro para comprender mejor los datos

proporcionados.

- Adicionalmente el fbricante puede proporcionar los circuitos empledos para efectuar las medidas de

una o todas las caracteristicas,ademas de la explicacion de algun parametro importante.

Hay que resaltar el hecho de que cada fabricante puede alterar según su conveniencia el orden de la

estructura dada, anular alguna parte o añadir información adicional.

8.- EFECTOS DE LA TEMPERATURA.

En un diodo semiconductor de silicio el voltaje de conducción en polarización directa es menor

conforme aumenta la temperatura; por otro lado en polarización inversa el voltaje de ruptura disminuye si

disminuye la temperatura.

9.- CIRCUITOS DE MODELOS EQUIVALENTES DEL DIODO

Cualquier dispositivo semiconductor tiene un circuito equivalente que describe su comportamiento

dependiendo del voltaje y corriente aplicados.

Tipo Condiciones Modelo Características

Modelo de

segmentos

lineales

Se utilizan segmentos de líneas rectas para aproximar la curva característica

Modelo

simplificado

𝑅𝑟𝑒𝑑 ≫ 𝑟𝑎𝑣

se puede utilizar siempre que la resistencia de la red y/o de los dispositivos junto a los

cuales se conectará el diodo sea mucho mayor que la resistencia promedio del diodo rd,

la cual se podría calcular como rd, en promedio, la resistencia de un diodo de pequeña

señal es de 26W. Red >> rd.

Dispositivo ideal 𝑅𝑟𝑒𝑑 ≫ 𝑟𝑎𝑣

𝐸𝑟𝑒𝑑 ≫ 𝑉𝑇

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.

Aplicaciones de los Diodos

Desde el inicio del empleo de las antiguas válvulas termoiónicas de tipo diodo en los circuitos electrónicos

analógicos hasta los diodos de estado sólido utilizados en la actualidad, su principal función ha sido

“rectificar” corrientes alternas para convertirlas en directa (C.D.) y “detectar” corrientes de alta frecuencia

(A.F.) o radiofrecuencia (R.F.) para reconvertirlas en audibles.

Aplicaciones a CD

a. Circuitos de protección contra polarización inversa.

b. Circuito de protección en paralelo para relevadores

c. Reducir el voltaje

Aplicaciones para CA

A corriente alterna se encuentra la mayor parte de las aplicaciones para los diodos rectificadores en

bajas como en altas frecuencias, entre las mas importantes están:

a) Circuitos Rectificadores

b) Circuitos Recortadores

c) Circuitos sujetadores

d) Multiplicadores de voltajes

e) Detector de señal de AM

f) Capacitor variable

10.- RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA Y DE ONDA COMPLETA

Rectificador de media onda:

Para el semi-ciclo positivo

Este es el circuito más simple que puede convertir corriente alterna en corriente continua. Este

rectificador lo podemos ver representado en la siguiente figura:

Las gráficas que más nos interesan son:

Durante el semiciclo positivo de la tensión del primario,

el bobinado secundario tiene una media onda

positiva de tensión entre sus extremos. Este aspecto

supone que el diodo se encuentra en polarización

directa. Sin embargo durante el semiciclo negativo de

la tensión en el primario, el arrollamiento secundario

presenta una onda sinusoidal negativa. Por tanto, el

diodo se encuentra polarizado en inversa.

La onda que más interesa es VL, que es la que

alimenta a RL. Pero es una tensión que no tiene partes

negativas, es una "Tensión Continua Pulsante", y

nosotros necesitamos una "Tensión Continua

Constante". Analizaremos las diferencias de lo que

tenemos con lo que queremos conseguir.

Lo que tenemos ahora es una onda periódica, y toda onda periódica se puede descomponer en

"Series de Fourier".

Lo ideal sería que solo tuviésemos la componente continua, esto es, solo la primera componente

de la onda que tenemos.

El valor medio de esa onda lo calcularíamos colocando un voltímetro en la RL, si lo calculamos

matemáticamente sería:

𝑉𝑐𝑐 = 1

𝑇∫ 𝑉𝐿 𝑑𝑤𝑡 =

1

𝑇 ∫ 3.45

𝜋

0

𝑠𝑒𝑛 𝑤𝑡𝑑𝑤𝑡 = 𝑉𝑃2

𝜋

𝑇

0

𝑉𝑐𝑐 = 𝑉𝑃2

𝜋=

3.45

𝜋= 10.98 = 11 𝑉

Y este sería el valor medio que marcaría el voltímetro. Como hemos visto tenemos que eliminar las

componentes alternas de las componentes de Fourier. En estos caso hemos usaremos la 1ª aproximación o la

2ª aproximación.

Por último diremos que este circuito es un rectificador porque "Rectifica" o corta la onda que teníamos

antes, la recorta en este caso dejándonos solo con la parte positiva de la onda de entrada.

Rectificador de onda completo

Onda completa (semiciclo positivo y negativo)

La siguiente figura muestra un rectificador de onda completa con 2 diodos:

Debido a la conexión en el centro del devanado secundario, el circuito es equivalente a dos

rectificadores de media onda.

El rectificador superior funciona con el semiciclo

positivo de la tensión en el secundario, mientras que el

rectificador inferior funciona con el semiciclo negativo

de tensión en el secundario.

Es decir, D1 conduce durante el semiciclo positivo y

D2 conduce durante el semiciclo negativo.

Así pues la corriente en la carga rectificada circula

durante los dos semiciclos.

En este circuito la tensión de carga VL, como en el

caso anterior, se medirá en la resistencia RL.

Aplicamos Fourier como antes.

Ahora la frecuencia es el doble que la de antes y el pico la mitad del anterior caso. Así la frecuencia

de la onda de salida es 2 veces la frecuencia de entrada.

𝑓𝑠𝑎𝑙 = 2𝑓𝑒𝑛𝑡𝑟

Y el valor medio sale:

𝑉𝑐𝑐 = 2𝑉𝑃2

𝜋=

2 ∗ 17.25

𝜋= 11 𝑉

11.- USO DE CAPACITORES EN RECTIFICADORES

La salida de CD pulsante de cualquier circuito r<clasificado puede convertir en voltaje de CD

constante si coloca el capacitor de valor adecuado a la salida del rectificador para mantener un voltaje

constante a una carga conectada que demande cierto valor de corriente.

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA:

El rectificador de onda completa utiliza ambas mitades de la señal senoidal de entrada, para obtener

una salida unipolar, invierte los semiciclos negativos de la onda senoidal.

Cuando el voltaje de linea de entrada (que alimenta al primario) es positivo, las señales vs seran

positivas; el D1 conduce y D2 esta polarizado inversamente, la corriente que pasa por D1 circulara por R y

regresara a la derivación central del secundario. El circuito se comporta entonces como rectificador de

media onda, y la salida durante los semiciclos positivos positivos será idéntica a la producida por el

rectificador de media onda.

Durante el semiciclo negativo del voltaje de CA de la línea, los dos voltajes marcados como Vs serán

negativos; el diodo D1 estara en corte y D2 conduce, la corriente conducida por D2 circulara por R y regresa

a la derivación central. Por lo tanto durante los semiciclos negativos tambien el circuito se comporta como

rectificador de media onda, excepto que ahora D2 es el que conduce. Es importante decir que la corriente

que circula por R siempre circulara en la misma dirección y por lo tanto Vo sera unipolar

La onda de salida que se observa se obtiene suponiendo que un diodo conductor tiene una caída

constante de voltaje VD0