DIODOS

La Teoría de los semiconductores: DIODOS

Los Diodos son elementos semiconductores o elementos de estado sólido, construido en base de germanio o silicio.

Los diodos disponen de dos terminales: ÁNODO (+) Y CÁTODO (-), estando debidamente señalados en el componente, una franja blanca representa al cátodo. Existe una característica de no-linealidad que los hace asimétricos. Esto implica que no es lo mismo conectarlos al circuito del que forman parte de una u otra manera, por lo que cada terminal tiene una función particular. 


TEORÍA DE LOS SEMICONDUCTORES

De acuerdo con la facilidad con que se mueven los electrones por el interior de las sustancias se establecen tres (3) tipos de éstos: conductores, aislantes y semiconductores. La facilidad del movimiento depende de la estructura atómica de la sustancia.

SEMICONDUCTORES. Estas sustancias tienen propiedades intermedias entre los conductores y los aislantes. La cantidad de electrones libres depende de determinado factor (calor, luminosidad, etc.). En su última órbita  tiene 4 electrones.


El elemento semiconductor más usado es el SILICIO, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). De un tiempo a esta parte se ha comenzado a emplear también el azufre. La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuración electrónica s²p².

Los electrones de la capa más externa se conocen como electrones de valencia. Los electrones de valencia determinan la forma característica o estructura reticular del cristal resultante.
El germanio y el silicio puros cristalizados son los cuerpos básicos utilizados comúnmente en los diodos y transistores.
Los átomos de silicio y germanio tienen cuatro electrones de valencia cada uno. Aunque los electrones de valencia son retenidos con fuerza en la estructura cristalina, pueden romper sus enlaces y, por tanto, moverse en forma de conducción. Esto sucede si se proporciona suficiente energía externa (por ejemplo, en forma de luz o calor).

A causa de la estructura cristalina, los núcleos están alineados en disposición simétrica y cada electrón externo comparte la órbita de otro electrón externo de un átomo vecino. Es esta disposición de órbitas compartidas que mantiene eficazmente cada electrón en su lugar y no algún fuerte encadenamiento extraño entre el electrón y su núcleo. Estos cuerpos son excelentes aislantes porque la estructura cristalina mantiene eficazmente en su lugar todos los electrones externos que normalmente quedarían libres para entrar en la circulación de corriente.


UNIÓN PN

La estructura interna está conformada por dos elementos: Tipo N y Tipo P.

Físicamente, un diodo consiste en la unión de dos materiales SEMICONDUCTORES, uno de tipo P y otro de tipo N, llamada comúnmente "Unión PN", a la que se han unido eléctricamente dos terminales. Al que se encuentra unido eléctricamente al cristal P, se le denomina ÁNODO, y se le representa en los diagramas mediante la letra A; y el que está unido con la zona N se lo llama CÁTODO, simbolizado por la letra K. Cuando ambos semiconductores en forma de cristal se unen, algunos electrones de la zona P se difunden hacia la zona N. Esta corriente de electrones provoca la aparición de cargas fijas a ambos lados de la unión, en una zona que recibe como nombres: "zona de deplexión" o "zona de carga espacial".

Tipo N
Un método para obtener circulación de corriente es añadir una pequeña cantidad de átomos que tengan cinco electrones externos (pentavalentes). Los átomos adecuados para este fin son los de fósforo, antimonio y más frecuentemente, arsénico. Estos átomos son distribuidos a través del cuerpo básico puro mientras se lo está tratando para que adquiera el estado cristalino y la estructura que se representa en el esquema. La proporción de los átomos que forman la impureza es del orden de una parte en cien millones de átomos de Ge o Si.
Tipo P

Existe otro método de modificar el cuerpo básico cristalino puro para obtener un flujo de corriente que se pueda gobernar. Durante el tratamiento del cuerpo básico, los átomos de la impureza, tales como los de aluminio, boro o indio, se añaden en pequeñas cantidades. Estos átomos que forman la impureza tienen solamente tres electrones externos (trivalentes) y se introducen en la estructura cristalina.
La estructura modificada le falta un electrón por cada átomo de impureza. El espacio que deja en la estructura el electrón que falta, se denomina “poro”. Se refiere al espacio existente entre las moléculas de los cuerpos. Durante el tratamiento, el átomo de la impureza atrae un electrón externo próximo para llenar el espacio de la estructura cristalina que le rodea y el poro “se mueve” hacia algún lugar. Una serie de electrones externos puede abandonar sus núcleos para llenar el espacio y el “poro” puede viajar una distancia considerable antes de alcanzar una posición de equilibrio.

POLARIDAD DE LOS DIODOS



APLICACIONES DE LOS DIODOS
El diodo es un componente que se desarrolló como solución al problema de transformar CORRIENTE ALTERNA en CORRIENTE CONTINUA, por lo que se encuentra presente en prácticamente cualquier fuente de alimentación. Dentro de esta función, se incluye la tarea indispensable que desempeñan en cualquier receptor de radio o TV: la detección o desmodulación.
Debido a que solo permiten el paso de la corriente en un sentido, el diodo se comporta como un interruptor que solo permite el paso de uno de los semiciclos de la corriente alterna, y mediante dos o cuatro de estos componentes se puede transformar una corriente alterna sinusoidal en una corriente pulsante, que con la ayuda de condensadores (generalmente electrolíticos) se transforma en una tensión continua. 



TIPOS DE DIODOS

DIODOS RECTIFICADORES. Esta familia esta compuesta por un número enorme de diodos especialmente concebidos para convertir una corriente alterna en continua.

DIODOS DE SEÑAL, que engloba a aquellos dispositivos dedicados al tratamiento de las señales dentro de un circuito analógico o para realizar funciones de tipo digital en las compuertas lógicas. Son de baja potencia, debido a que las corrientes implicadas son generalmente muy pequeñas.

LOS DIODOS DE CONMUTACIÓN o rápidos están especialmente concebidos para trabajar con señales del tipo digital o lógicas que presenten tiempos muy cortos, inferiores a unos pocos nanosegundos. 

LOS DIODOS ESTABILIZADORES DE TENSIÓN, también llamados diodos ZENER, se emplean para producir una tensión entre sus terminales muy constante y relativamente independiente de la corriente que los atraviesan. 

PRUEBA DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS DIODOS

Para comprobar el funcionamiento de los diodos, debe entenderse que estos se pueden polarizar de manera directa e inversa. Que la gran mayoria de la familia de los Diodos funcionan en polaridad directa, pero algunos lo hacen en la polaridad inversa, como es el caso del Diodo Zener.

Para una correcta comprobación del funcionamiento del Diodo, se toma como polaridad directa cuando la punta positiva del multímetro se conecta hacia el ánodo del diodo; y la polaridad inversa cuando la punta negativa del multímetro se conecta hacia el cátodo del diodo.

Video: Los Diodos


PRUEBA DE UN DIODO RECTIFICADOR

Se puede comprobar su óptimo funcionamiento en un tester digital, en la escala de ohmios. En polaridad directa, tiende a cero; en polaridad inversa, marca infinito (OL).

De igual forma, se comprueba en la escala de Diodos. En polaridad directa, marca aproximadamente 0,6 Voltios; en polaridad inversa, marca infinito (1).
Finalmente, se comprueba su funcionamiento al conectarlo a una fuente de alimentación, que no importando el voltaje de esta, siempre tendrá un voltaje aproximado a 0,6 V.

TEORÍA DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS DIODOS

Una resistencia es un dispositivo lineal, porque la gráfica de su corriente en función de su voltaje es una línea recta.

Un diodo es diferente, es un dispositivo no lineal, porque la gráfica de la corriente en función de la tensión no es una línea recta. La razón es la barrera de potencial: cuando la tensión del diodo es menor que la barrera de potencial, la corriente del diodo es pequeña; si la tensión del diodo supera esta barrera de potencial, la corriente del diodo se incrementará rápidamente.
Si el diodo está polarizado en directa no hay corriente significativa hasta que la tensión en el diodo sea superior a la barrera de potencial. Y cuando el diodo está polarizado en inversa, casi no hay corriente inversa hasta que la tensión del diodo alcanza la tensión de ruptura.

TENSIÓN DE UMBRAL
En la zona directa la tensión a partir de la cual la corriente empieza a incrementar rápidamente se denomina tensión umbral del diodo, que es igual a la barrera de potencial.
Vk » 0,7 Voltios

RESISTENCIA INTERNA
Para tensión mayores que la tensión umbral, la corriente del diodo crece rápidamente, lo que quiere decir que aumentos pequeños en la tensión del diodo originarán grandes incrementos en su corriente. La causa es la siguiente: después de superada la barrera de potencial, lo único que se opone a la corriente es la resistencia de las zonas P y N.
La resistencia interna de los diodos es menor que 1 Ohmio.
RB = RP + RN

MÁXIMA CORRIENTE
Si la corriente en un diodo es demasiado grande, la temperatura excesiva destruirá el diodo. En el caso del diodo 1N456 tiene una corriente máxima de 135 mA. (Imáx = 135 mA).

DISIPACIÓN DE POTENCIA
Un diodo tiene una limitación de potencia de 5 W. 

Si la tensión del diodo es de 1,2 V y la corriente del diodo es 1,75 A, ¿Cuál es la disipación de potencia?¿Se destruirá el diodo?

PD =  (VD)(ID) = (1,2V)(1,75 A) = 2,1 W. 

El resultado es inferior a la limitación de potencia. Por lo tanto el diodo no se destruirá.

(1). EL DIODO IDEAL

Teóricamente, un diodo rectificador se comporta como un conductor perfecto (resistencia cero) cuando tiene polarización directa, y lo hace como un aislante perfecto (resistencia infinita) cuando su polarizaciones inversa.

Calcular la corriente y la tensión en la carga empleando la aproximación del diodo ideal en el siguiente circuito.
Como el diodo está polarizado en directa, es equivalente a un interruptor cerrado. Entonces toda la tensión de la fuente aparece a través de la resistencia de carga: VRL = 10V
(2). SEGUNDA APROXIMACIÓN

La aproximación ideal es siempre correcta o cierta en la mayoría de las situaciones de detección de averías, pero no siempre estamos detectando averías. Algunas veces queremos un valor más exacto para la corriente y la tensión en la carga.
El dibujo indica que no hay corriente hasta que aparecen 0,7V en el diodo. En este punto el diodo se activa. De ahí en adelante sólo aparecen 0,7V en el diodo, independiente del valor de la corriente.

El diodo se asemeja a un interruptor en serie con una barrera de potencial de 0,7V. Si la tensión de la fuente es, por lo menos, de 0,7 V, el interruptor se cerrará. Cuando conduce, la tensión en el dispositivo será de 0,7 V para cualquier corriente directa. Por otro lado, cuando la tensión de Thevenin es menor que 0,7 V, el interruptor se abrirá. En este caso, no hay corriente a través del diodo.

Calcular la corriente por la carga, la tensión en la carga y el potencial en el diodo.
Como el diodo está polarizado en directa, es equivalente a una bateria de 0,7V, lo que significa que la tensión en la carga es igual a la tensión de la fuente menos la caída de tensión en el diodo.

(3). TERCERA APROXIMACIÓN

Se incluye la resistencia interna RB. Después de que el diodo de silicio comienza a conducir, la tensión aumenta lineal o proporcionalmente con los incrementos de la corriente. Cuanto mayor sea la corriente, mayor es la tensión, al tener que incluirse la caída de tensión en la resistencia interna a la tensión total del diodo.
Cuando la tensión aplicada es mayor que 0,7V, el diodo conduce. La tensión total en el diodo es igual a:  VD = 0,7 + (ID RB)

A menudo, la resistencia interna es menor que 1 Ohmios, y fácilmente se puede ignorar para los cálculos. 

El 1N4001 tiene una resistencia interna de 0,23. ¿Cuál es la tensión en la carga, la corriente por la carga y la potencia del diodo? 
Como la resistencia interna es suficientemente pequeña entonces se puede ignorar porque es menor que 1/100 de la resistencia de la carga.

Se puede usar la segunda aproximación: 9,3V; 9,3 mA y 6,51 mW respectivamente.



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VIDEO: POLARIDAD DIRECTA E INVERSA EN LOS DIODOS
Autor: Alvaro Acosta Agón
YouTube: https://youtu.be/PyA0JHLviFo

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