Diodos: Tipos, Funcionamiento y Polarización en Circuitos Electrónicos

Unión PN (Diodo)

Cuando se ponen en contacto un semiconductor de tipo P y otro de tipo N, de modo que haya una perfecta continuidad de la estructura del cristal, comenzará una difusión de los electrones en exceso existentes en el lado N hacia la zona P. Los huecos en exceso del lado P se difunden en la zona N, por lo que en la superficie de contacto se crea un campo eléctrico cuyo potencial se opone al anterior flujo de carga (Barrera de potencial). El diodo semiconductor es un componente electrónico formado por la unión de dos cristales: el tipo N (se le llama Cátodo) y otro tipo P (se le llama Ánodo).

Polarización Directa

Consiste en aplicar una fuente de tensión conectando el polo positivo con el cristal P y el negativo con el N. Al estar conectado de esta forma, los huecos son repelidos por el polo positivo y lo mismo ocurre con el polo negativo que repele a los electrones, pero a su vez atrae a los huecos, por lo que se consigue disminuir la barrera de potencial. A la vez, se produce un campo eléctrico opuesto al existente en la unión P-N. La altura de la barrera potencial disminuye y la difusión de portadores mayoritarios sigue. El potencial mínimo que hay que aplicar en sentido directo para vencer la barrera de potencial y establecer corriente depende del tipo de semiconductor, pero está comprendido entre los 0,05 y 0,3 V.

Polarización Inversa

Al conectar el polo positivo de la fuente en N y el negativo en P, tendremos que todos los huecos pertenecientes a la zona P se acumulan en el polo negativo de la fuente, mientras que los electrones pertenecientes a la N lo hacen hacia el positivo. Al no existir portadores de corriente, no podrá circular, habiéndose convertido temporalmente la zona de unión en un semiconductor intrínseco de gran resistencia eléctrica. No obstante, debido a la generación térmica de pares electrón-hueco en la zona P y N, existirá una pequeña corriente a través de la unión que llamaremos corriente inversa.

Característica de un Diodo

Nos representa la caída de tensión que se produce en el diodo cuando por él circulan diversos valores de la intensidad. Partiendo de tensión cero, podemos observar cómo a muy pequeñas tensiones no circula intensidad, debido al obstáculo que representa la barrera de potencial. Si seguimos aumentando la tensión, llegaremos a un determinado valor a partir del cual la barrera de potencial es anulada, creciendo la intensidad muy rápidamente con los incrementos de tensión. Si aumentamos la tensión inversa aplicada al diodo, llegará el momento en que los electrones pueden adquirir la energía suficiente para arrancar portadores de carga a los átomos de la red cristalina del semiconductor, produciendo el fenómeno de multiplicación por avalancha. Tensión Umbral, en la zona de polarización directa, es la tensión a partir de la cual la corriente comienza a incrementarse rápidamente. Normalmente, el análisis de circuitos con diodos se dirige a determinar si la tensión del diodo es mayor o menor que la tensión umbral. Si es mayor, el diodo conduce fácilmente; si es menor, lo hace con dificultad. Para un diodo de silicio, Vk = 0.7 V; de germanio, Vk = 0.3 V.

Tipos de Diodos

Diodo Zener

Es un diodo diseñado para que funcione en la zona de ruptura. El efecto Zener se produce cuando aplicamos una gran tensión inversa, puede producirse la ruptura del diodo por el conocido efecto avalancha. La idea básica es que los portadores minoritarios se aceleran a velocidades suficientemente altas como para desligar otros portadores minoritarios, produciendo una cadena o efecto avalancha que desencadena una gran corriente inversa. El efecto Zener es diferente: cuando un diodo está fuertemente dopado, la zona de deplexión se hace muy estrecha y el campo eléctrico a través de esta zona es muy intenso. En estas condiciones, este campo eléctrico puede empujar a los electrones fuera de sus orbitales de valencia. La creación de electrones libres de esta forma se conoce como efecto Zener.

Cuando la tensión de ruptura es inferior a 4V, solo tiene lugar el efecto Zener. Cuando es superior a 6V, es efecto avalancha. Cuando está entre 4 y 6, existen ambos efectos. (Dibujar gráfica)

Diodo Zener Ideal

La zona Zener se puede aproximar mediante una recta vertical. En consecuencia, la tensión es constante incluso cuando la corriente cambia. Esto significa que el diodo Zener en la zona de ruptura se comporta como una batería y, por tanto, en un circuito podríamos sustituirlo por una fuente de tensión ideal.

Fotodiodo

Es un diodo detector de luz basado en la tecnología de semiconductores de silicio que convierte las señales de luz de entrada en una corriente de salida. Es una unión P-N polarizada en sentido inverso, es un elemento básico para comprender los dispositivos fotosensibles. Cuando la luz de longitud de onda apropiada es dirigida hacia la unión, se crean pares hueco-electrón que se desplazan a través de la unión debido al campo generado en dicha unión. El resultado es un flujo de corriente en el circuito externo. El fotodiodo se comporta básicamente como un generador de corriente proporcional a la iluminación y que permanece prácticamente constante hasta que se alcanza la tensión de avalancha. La mayoría de los detectores de luz comunes consisten en una unión de fotodiodo y un amplificador, que es necesario porque la corriente del fotodiodo se halla en el margen comprendido entre las décimas de microamperio y las decenas de microamperio.

El LED

Es un dispositivo fotónico basado en una unión P-N semiconductora, que emite luz monocromática cuando se polariza en directa y es atravesado por la corriente eléctrica. El color depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo y de la frecuencia de la radiación emitida. Los encontramos en muchos dispositivos o equipos electrónicos que disponen de un piloto de color para avisarnos de cualquier problema o cambio. Como la intensidad luminosa emitida depende del nivel de recombinación, la cantidad de luz emitida depende de la corriente de polarización directa. Tienen geometrías especiales para evitar que la radiación emitida sea reabsorbida por el material circundante del propio diodo, esto ocurre en los diodos convencionales. El voltaje de operación va desde 1,5 a 4,4 V aproximadamente. La intensidad de un LED estándar va desde 10 a 40 mA. Las aplicaciones de estos LED son muy diversas, por ejemplo, los infrarrojos se utilizan para aplicaciones de control remoto, mientras que los de luz visible se utilizan en paneles informativos, indicadores de estado y dispositivos de señalización. En un futuro, se cree que estos LED pueden sustituir a las bombillas convencionales y utilizarlos como iluminación.