Diodos – (casi) todo lo que necesita saber sobre

¿Qué es un diodo de unión y cómo funciona?

El diodo de unión es una estructura formada por una unión PN, que a su vez es la estructura básica que compone los semiconductores, como los propios diodos y los transistores. Es el más simple de los componentes electrónicos y, como veremos más adelante, puede servir como aislante o conductor, dependiendo de su polarización.

El diodo está formado por una unión entre un tipo de cristal P (lado positivo – también llamado ánodo) y otro tipo N (lado negativo – también llamado cátodo). Dentro de estos cristales, compuestos de Silicio (más común) o Germanio se insertarán impurezas (práctica llamada dopaje), que no son más que átomos de Boro. La elección de este elemento se deriva del hecho de que por ser impuro, trivalente, en el lado P siempre habrá un hueco, es decir, faltará 1 electrón para completar 8 y estabilizar el semiconductor. Ya en el lado N ocurre lo contrario: Lleno de Silicio (o Germanio) y de Fósforo, este cristal siempre tendrá 1 electrón más, ya que el Fósforo tiene 5 electrones en la última capa, quedando 1 después de la unión covalente.

Aunque los cristales separados no tienen mucha representación, cuando se enlazan entre sí, ocurre la magia. Cuando se juntan, los huecos en el lado P atraen al electrón que queda en el lado N, equilibrando el diodo, ya que, según las leyes de la física, las cargas opuestas se atraen entre sí. Tal acto se llama recombinación. Sin embargo, es necesario enfatizar que esta amalgama sólo se hace en el centro, donde las fuerzas de atracción son más fuertes. En esa área, todos tendrán 8 electrones en la última capa, permaneciendo químicamente estables. Los más lejanos, sin embargo, no sufren recombinación. Esta zona de estabilidad puede ser llamada la capa de agotamiento, o barrera potencial.

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Para su uso, la unión puede ser de polarización inversa, que es cuando la corriente saldrá del polo negativo de la batería y entrará en el cristal P (lado positivo) y saldrá de la punta del cristal N (lado negativo), yendo hacia el extremo positivo de la batería. Con este método la misma atracción de opuestos ocurrirá como vimos arriba: La corriente que sale del lado negativo de la batería atraerá los huecos en el lado positivo del diodo, y la corriente eléctrica del polo positivo de la batería atraerá el exceso de electrones del lado negativo del diodo. Con este proceso las cargas respectivas se concentrarán en los extremos del diodo, creando una enorme capa de agotamiento, de modo que la corriente eléctrica no podrá circular por él. Por eso un diodo de polarización inversa no conduce energía Diodos - (casi) todo lo que necesita saber sobre 2

Otra forma en la que se puede encontrar el diodo es a través de la unión PN directamente polarizada. A diferencia del ejemplo anterior, esto conectará el polo positivo de la batería con el lado positivo del diodo y el negativo con el negativo. Así, en la práctica, habrá una repulsión de la corriente y de los electrones presentes en el diodo. Con este fenómeno se alejarán de las extremidades, acercándose al centro y disminuyendo la zona de agotamiento. Cuanto mayor es la carga eléctrica aplicada, mayor es la repulsión y separación y menor es la zona de agotamiento, hasta alcanzar el punto en que no existe y los electrones estarán libres para recombinarse (alrededor de 0,7 voltios para los diodos de silicio y 0,3 para los de germanio). Esto ocurrirá tanto en el sentido real como convencional de la corriente.

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Vea cómo aumenta la carga y la capa de agotamiento se reduce de forma inversa y proporcional hasta que desaparece

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Entre las principales aplicaciones del diodo, podemos mencionar:

En todo lo que implica la energía eléctrica estamos inevitablemente ante un riesgo de daños, esto sirve tanto para un mando a distancia, como para un electrodoméstico, etc… Sin embargo, el diodo de unión se utiliza para minimizar el riesgo de daños a los aparatos. Funciona así: Como vimos antes, cuando ponemos uno de ellos en un componente y hacemos las conexiones respectivas, tendremos un lado que pasa la corriente, y otro que corta la corriente. Así, utilizando el lado que no deja pasar la electricidad, podemos, por ejemplo, evitar el daño de una batería colocada al revés en el mando a distancia.

Otra aplicación del diodo, y quizás una de las más importantes, es la transformación de la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC), en un proceso conocido como «Rectificación». Este proceso se hace necesario por el hecho de que la energía que sale de nuestras salidas es alterna y la gran mayoría de nuestros aparatos funcionan con corriente continua. De esta forma, dentro de nuestros equipos se realizará una conversión mediante el diodo, haciendo que todos ellos funcionen correctamente y sin mayores riesgos.

Los diodos todavía pueden ser usados como Led’s. Sin embargo, para que este proceso ocurra y para que emitan luz, tendrán que tener una polarización y composición química ligeramente diferente. En la práctica, la luz se emite después de que la corriente pasa a través de ella y genera una radiación luminosa. De esta manera el diodo puede estar presente en prácticamente todas las esquinas, desde el semáforo hasta el pequeño faro del mando a distancia (generando la señal infrarroja que pasa instrucciones a la electrónica y que no vemos).

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En una última aplicación muy habitual del diodo podemos citar la caída de tensión que obliga a que ocurra. Por ejemplo, si tenemos una corriente de 10 voltios y nuestro componente soporta sólo 7 voltios, podemos usar algunos diodos para provocar una caída de voltaje. En este caso utilizaríamos, por ejemplo, 5 diodos. Como dijimos antes, la resistencia del diodo de unión compuesto de silicio es de 0,7 voltios. En este caso, si ponemos 5 de ellos, podremos generar una resistencia de 3,5 vueltas, haciendo que la caída de tensión sea de 10 a 6,5 voltios.

Clasificación de diodos

Los diodos se pueden clasificar en diodos reales o ideales:

Diodo Ideal : Tiene este nombre porque sólo existe en teoría, es decir, no es real. Sólo existe para que los fabricantes de diodos, los técnicos electrónicos tengan un norte a seguir, como por ejemplo, las características, límites, capacidades, etc. Este diodo conduce desde 0 voltios cuando está directamente polarizado (lo que sólo es posible porque es perfecto y sólo existe en el mundo teórico).

Diodo Actual: El diodo existente y palpable presenta las características que realmente ocurren. Por ejemplo, la conducción, como vimos anteriormente, es de 0,7 voltios si es Silicio y de 0,3 voltios si es Germanio.

Curva V/I

Independientemente del tipo de diodo utilizado, podemos ver cómo se comporta cuando analizamos la curva V/I proyectada en el gráfico. Por ejemplo, en el caso de la polarización directa, podemos ver que el diodo real comienza a subir sólo 0,4 ó 0,5 voltios, «subiendo» completamente cuando llega a 0,7 (si es de silicio). En el Ideal, la curva no es realmente una curva, sino una columna, ya que, por ser perfecta, funciona a partir de 0,000000…1 voltios. Diodos - (casi) todo lo que necesita saber sobre 5

Diodo actual – observe los puntos de ascenso y avalancha

Ya cuando analizamos la curva en el caso de una polarización inversa veremos que el Real sólo mostrará signos de declive cuando alcance el rango de 700 voltios. Este será el punto denominado Tensión de Ruptura (VBr), es decir, el límite hasta el que puede mantener la corriente. Cuando lleguemos aquí el diodo recibirá una fuerte descarga y en cuestión de microsegundos (este proceso se llama avalancha) se quemará. Por otro lado, el diodo ideal, por ser perfecto, alcanzaría una tensión infinita, es decir, un rayo podría caer y entrar en el diodo que no saldría por el otro extremo.

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Diodo ideal – Observe que no hay punto de caída y que el punto de subida es casi instantáneo

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Tipos de diodos

Existen varios tipos de diodos, entre ellos podemos mencionar:

Diodo varicap: Tiene una capacidad variable dependiendo del voltaje que se le aplique. Su uso es básicamente para servir como condensadores variables cuya capacidad cambia según la tensión aplicada.

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Fotodiodo: Así como una unión PN puede emitir luz cuando es atravesada por una corriente (convirtiéndose en un LED, como vimos anteriormente), también es posible el proceso contrario, es decir, la luz puede generar corriente eléctrica cuando pasa a través de una unión de este tipo. El fotodiodo necesita trabajar con polarización inversa y, a su vez, se subdivide en fotovoltaico y fotoconductor.

  • La primera es aquella en la que la tensión generada es muy baja, y comúnmente es necesario utilizar un amplificador operacional, también es diferente porque los pulsos de salida se invierten en relación a los pulsos de entrada;

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Fotodiodo fotovoltaico

  • Ya en el segundo, el fotodiodo está polarizado por un potencial de una fuente externa.

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Fotodiodo fotoconductor

Diodo Schottky: Construido en 3 capas, siendo el primer tema de dopaje más pequeño, su característica principal es ser construido con un metal en lugar de un material semiconductor tipo P. Debido a esto, no habrá huecos que puedan ser rellenados con el exceso de electrones de otros materiales durante la corriente continua. Una de sus ventajas es que al no haber recombinación de cargas del diodo de unión, el tiempo de recuperación será menor, además su densidad de corriente es mayor, lo que provoca, en comparación con el diodo de unión común, una caída de la tensión continua. Como carga, este tipo de diodo tiene una corriente inversa más alta, lo que puede impedir su uso en algunos tipos de circuitos. Actualmente, su uso principal es en circuitos de conmutación de alta frecuencia y alta velocidad.

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Diodos de túnel: Poco utilizados hoy en día, se caracterizan por ser diodos con altas tasas de impurezas en ambas capas. Como consecuencia directa de esto tendremos una región de agotamiento muy estrecha (sólo unos pocos átomos gruesos), y, con esta proximidad, el efecto túnel. En la práctica significa que habrá una resistencia negativa, es decir, que la corriente disminuye en función del aumento de la tensión. Esta característica de resistencia negativa es una ventaja, ya que con tal dopaje, la mayoría de las portadoras serán huecos, y en consecuencia podrán aceptar muchos electrones, y así soportar altas frecuencias. Esto es particularmente apreciado en algunos procesos, como en la construcción de osciladores, por ejemplo. En el lado negativo: baja potencia y mayor coste para la fábrica.

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Diodo Gunn: Porque está construido sólo con el «lado» N tiene la capacidad de ser utilizado como un potente oscilador local, donde cubre frecuencias de microondas que van desde 1Ghz hasta más de 100Ghz. Es importante decir que también tiene características de resistencia negativa.

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Diodo PIN: Como su nombre indica, este diodo tiene una capa I (intrínseca) entre las capas P y N. Cuando se polarizan directamente, los huecos y los electrones se inyectan en la capa I y las cargas no se anulan inmediatamente entre sí, sino que resisten durante un cierto tiempo. Con esto tendremos una carga media que permitirá la conducción. Ya cuando la polarización es nula o inversa, no habrá carga almacenada y el diodo funcionará como condensador.

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Si la tensión aplicada es continua o de baja frecuencia, tendrá un comportamiento muy similar al del diodo de unión PN convencional. Ahora, si se opera a frecuencias más altas (siempre y cuando sea por períodos más cortos que la duración de las cargas) la resistencia mostrará una variación característica con la corriente. Por esta razón, puede ser aplicado en varias situaciones que tienen alta frecuencia, tales como atenuadores, filtros, etc.

Fuentes: Eletronica Pt; Canal «Gabriel Vinicius Silva Maganha» en YouTube

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