Diodos
El diodo es un componente electrónico de dos terminales diseñado para permitir el flujo de corriente eléctrica en una sola dirección, bloqueándola cuando intenta circular en sentido contrario.
Además de facilitar la circulación, los diodos también cumplen funciones clave como controlar y resistir la corriente eléctrica según la necesidad del circuito.
Este comportamiento se traduce en dos posibles configuraciones: la polarización directa, donde el diodo permite el paso de la corriente, y la polarización inversa, en la que actúa como un bloqueador eficaz.
Estructura interna del diodo
La estructura interna de un diodo está basada en la unión de dos materiales semiconductores con diferentes propiedades eléctricas: el tipo P y el tipo N.
Estos materiales están cuidadosamente dopados para alterar sus características de conducción. A continuación, se explica cada elemento clave de su estructura:
-
Región Tipo P:
-
Esta región está formada por un material semiconductor, como el silicio o el germanio, dopado con átomos aceptores (por ejemplo, boro), que generan un exceso de huecos (cargas positivas).
-
Es la parte del diodo que se conecta al terminal positivo del circuito en polarización directa.
-
-
Región tipo N:
-
Compuesta por un semiconductor dopado con átomos donantes (como fósforo o arsénico), que generan un exceso de electrones libres (cargas negativas).
-
Esta región se conecta al terminal negativo del circuito en polarización directa.
-
-
Unión PN:
-
En el límite entre las regiones P y N se forma la unión PN.
-
En esta zona, los electrones de la región N se combinan con los huecos de la región P, creando una región de carga neutra denominada capa de agotamiento o zona de depleción. Esta capa actúa como una barrera que impide el paso de corriente si el diodo está en polarización inversa.
-
-
Capa de agotamiento:
-
En polarización directa, esta capa se reduce, permitiendo que la corriente fluya a través del diodo.
-
En polarización inversa, la capa de agotamiento se amplía, bloqueando la corriente excepto para pequeñas corrientes de fuga.
-
-
Encapsulado:
-
El conjunto del diodo está protegido por una carcasa que lo aísla del ambiente y asegura la conexión de los terminales. Los encapsulados varían según el tipo de diodo y su aplicación.
-
Esta estructura interna es lo que permite al diodo desempeñar su función básica de actuar como un interruptor unidireccional para la corriente eléctrica.
Además, variaciones en su diseño permiten el desarrollo de diferentes tipos de diodos, como diodos Zener, LED o fotodiodos, optimizados para aplicaciones específicas.
Caracteristicas tecnica
Las características técnicas de los diodos varían según su tipo y aplicación, pero existen parámetros comunes que permiten evaluar su rendimiento en un circuito.
A continuación, se describen las principales:
Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ ).
La tensión umbral de polarización directa coincide en valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodo no polarizado.
Al polarizar directamente el diodo, la barrera de potencial inicial se va reduciendo, incrementando la corriente ligeramente, alrededor del 1% de la nominal. Sin embargo, cuando la tensión externa supera la tensión umbral, la barrera de potencial desaparece, de forma que para pequeños incrementos de tensión se producen grandes variaciones de la intensidad de corriente.
Corriente máxima (I_máx ).
Es la intensidad de corriente máxima que pueden conducir los diodos sin fundirse por el efecto Joule. Dado que es función de la cantidad de calor que puede disipar el diodo, depende sobre todo del diseño del mismo.
Corriente inversa de saturación (Is ).
Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica por cada incremento de 10 °C en la temperatura.
Corriente superficial de fugas.
Es la pequeña corriente que circula por la superficie de los diodos (ver polarización inversa). Esta corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial de fugas.
Tensión de ruptura (Vr ).
Es la tensión inversa máxima que los diodos pueden soportar antes de darse el efecto avalancha.
Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente inversa de saturación; en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, en el diodo normal o de unión abrupta, la ruptura se debe al efecto avalancha; no obstante, hay otro tipo de diodos, como los Zener, en los que la ruptura puede deberse a dos efectos.
1. Polarización directa
En la polarización directa, la batería reduce la barrera de potencial en la zona de carga espacial del diodo, permitiendo que la corriente fluya a través de la unión PN.
Condición para la polarización directa:
- El ánodo del diodo debe estar conectado al polo positivo de la batería.
- El cátodo debe estar conectado al polo negativo de la batería.
Efectos en el cristal del diodo:
-
El polo negativo de la batería repele los electrones libres de la región N hacia la unión PN.
-
El polo positivo de la batería atrae los electrones de valencia de la región P, empujando los huecos hacia la unión PN.
Proceso de conducción:
-
Cuando la diferencia de potencial de la batería supera la barrera de la zona de carga espacial:
-
Los electrones libres de la región N adquieren suficiente energía para atravesar la unión PN y saltar hacia los huecos de la región P.
-
-
Al cruzar la unión:
-
Un electrón de la región N se une a un hueco de la región P, transformándose en un electrón de valencia.
-
Este electrón es atraído por el polo positivo de la batería, moviéndose de átomo en átomo hasta llegar al extremo del cristal P.
-
-
Simultáneamente:
-
La batería suministra nuevos electrones libres a la región N.
-
Los electrones de valencia de la región P son atraídos hacia la batería.
-
Resultado final:
-
Se genera una corriente eléctrica constante a través del diodo.
-
La batería actúa como la fuente de energía que impulsa el flujo continuo de electrones desde la región N hacia la región P.
Este proceso explica cómo el diodo, cuando está polarizado directamente, se convierte en un conductor eficiente de la corriente eléctrica, desempeñando un papel crucial en el funcionamiento de numerosos circuitos electrónicos.
2. Polarización inversa de un diodo.
En la polarización inversa, la batería se conecta de manera que el polo negativo se conecta a la zona P y el polo positivo a la zona N del diodo. Este arreglo aumenta la zona de carga espacial en la unión PN, lo que provoca una mayor tensión en esa zona hasta alcanzar el valor de la tensión de la batería.
Condiciones y efectos en el diodo:
-
El polo positivo de la batería atrae los electrones libres de la región N, que luego abandonan el cristal N y se mueven a través del conductor hacia la batería.
-
El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la región P.
-
Estos electrones se introducen en los huecos de la región P, lo que estabiliza los átomos trivalentes y genera una carga neta negativa (-1), transformándolos en iones negativos.
-
Proceso
-
En esta configuración, el diodo no debe conducir corriente, ya que la barrera de la unión PN se amplía. Sin embargo, debido al efecto térmico, se generan pares electrón-hueco en ambos lados de la unión, lo que produce una corriente inversa de saturación muy pequeña.
Corrientes adicionales:
-
Corriente superficial de fuga:
-
A pesar de que el diodo no conduce en polarización inversa, hay una pequeña corriente que circula por la superficie del diodo. Esto se debe a que, en la superficie del cristal de silicio, los átomos no están rodeados de los suficientes átomos vecinos para completar los cuatro enlaces covalentes requeridos para su estabilidad.
-
Como resultado, los átomos de la superficie (tanto en la región N como en la P) tienen huecos en su orbital de valencia, lo que permite el paso de electrones con facilidad.
-
Conclusión
-
Tanto la corriente inversa de saturación como la corriente superficial de fuga son muy pequeñas y generalmente despreciables en condiciones normales de operación.
-
Sin embargo, el diodo permanece en su estado de no conducción en la polarización inversa, bloqueando el paso de corriente en la mayoría de los casos, excepto por estas pequeñas corrientes.
Este comportamiento de bloqueo de corriente en polarización inversa es fundamental para muchas aplicaciones electrónicas, donde los diodos se utilizan como interruptores unidireccionales para la corriente.