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Teoría 8 – Diodo semiconductor

4 agosto, 2013

¿Qué es un diodo semiconductor? ¿cuál es su principio de funcionamiento ?

Ya vimos que las válvulas de vacío tienen la capacidad de controlar el flujo de corriente, pero éstas han dejado de usarse (excepto en aplicaciones muy concretas) debido a su alto consumo de energía, a que desprenden calor, necesitan un tiempo de puesta en marcha, son voluminosas y por lo general tienen una vida más corta que los diodos semiconductores.  Los semiconductores han supuesto un avance sustancial revolucionando la electrónica al ser pequeños, muy precisos y fiables y consumir mucha menos energía.   Tal ha sido su aceptación en el mundo de la electrónica que hoy en día, al hablar de diodos, nos referimos únicamente a los semiconductores.

Veamos en qué basan su funcionamiento. Al igual que las válvulas diodo estos nuevos componentes permiten el paso de los electrones pero en un solo sentido.

átomo Si

En el post Teoría 1 comentaba generalizando que los átomos tienden a estabilizar su última órbita con 8 electrones.  Lo que tienes arriba es un átomo de silicio, con 4 electrones en su órbita externa (se les llama electrones de valencia).  A éste átomo le va bien juntarse con otros cuatro que le presten un electrón cada uno.  De manera recíproca, él también prestará un electrón a cada uno de los átomos con los que se “asocie”; de este modo, todos contentos.  A esto se le llama enlace covalente.

covalente Si

El átomo central está cogiendo un electrón de cada uno de sus vecinos y a su vez él también les cede uno.  Y todo tan rápido y de tal manera que parece que los cinco tienen ocho electrones cada uno.  Curioso, ¿verdad?

Vamos a representar ahora los átomos sólo indicando los electrones de valencia (los de la última capa)  El  siguiente esquema representa lo mismo que has visto antes, cinco electrones de silicio compartiendo los electrones entre sí.

semiconductor Si

Imagínate un material compuesto por cientos de millones de átomos de silicio.  Ahora metamos en esa estructura una impureza en forma de átomos de galio (Ga) que es un elemento trivalente, es decir, con tres electrones de valencia.  Es lo que se conoce como dopar el semiconductor.

semiconductor Tipo P

He pintado los electrones del galio en rojo para que resalten mejor.  Fíjate que ahora uno de los átomos de silicio se habrá quedado sin poder enlazar con el átomo de galio, ya que éste sólo puede ceder sus tres electrones de valencia a tres átomos…  Ese átomo de silicio se habrá unido a su vez a otros tres átomos de silicio y tendrá siete electrones en su órbita externa, tres de ellos compartidos.  Pero estará “inquieto” tratando de conseguir un electrón más para rellenar el hueco del octavo electrón… Aquí hay un hueco, y ya se sabe que “donde hay hueco, hay alegría”.  A esta configuración de silicio dopado con átomos trivalentes la llamamos un semiconductor de tipo P.

En el caso opuesto, si dopamos el cristal de silicio con un átomo pentavalente (con cinco electrones de valencia) entonces nos sobrará uno.  Veámoslo:

semiconductor Tipo N

Ahora los cuatro átomos de silicio que rodean al antimonio (Sb) tienen un electrón cada uno para rellenar su última órbita (recordemos que el resto de electrones los consiguen de otros átomos de silicio vecinos)  Pero sobra uno… A esto lo llamamos un semiconductor de tipo N

En todo el cristal de silicio dopado con impurezas habrá defecto o exceso de electrones dependiendo de si es un semiconductor tipo P, dopado con un trivalente como el galio; o de tipo N, dopado con un pentavalente como el antimonio.   si juntamos ahora dos bloques de semiconductor P y semiconductor N, formaremos una unión PN. En dicha unión se crea una barrera de potencial o zona de agotamiento en la que los átomos con exceso de electrones por un lado (semiconductor N) y los que tienen exceso de huecos por otro (semiconductor P) se ceden electrones hasta alcanzar un estado de equilibrio con 8 electrones en su última órbita.  Pero al ceder electrones por un lado y ganarlos por el otro se crean dos zonas de iones en esa misma unión; por un lado, en la zona del semiconductor tipo N se crean iones positivos, y del otro lado, en la zona del semiconductor tipo P se crean iones negativos.  Se crea por tanto una zona de potencial de 0,7 V en el caso de semiconductores de silicio y de 0,3 V en semiconductores de germanio (el otro tipo de semiconductor usado habitualmente)  Esta unión PN actúa básicamente como una barrera para los electrones que circulan en sentido incorrecto.

unión PN

Los electrones libres de la zona N llenan los huecos de la zona P en la unión de ambos semiconductores, quedando todos ellos con 8 electrones en su órbita exterior y creándose una barrera de potencial que permite la circulación de electrones en un sentido, pero la impide en el opuesto.

Si se polariza el diodo correctamente, polo negativo de la batería en la unión N y positivo en la P, éste conducirá (pero manteniendo la caída de tensión de la que hemos hablado de 0,7 o 0,3 V)   La batería cede electrones a la zona N, de por sí saturada, que irán a llenar los huecos de los iones positivos de la zona de su unión y a su vez de los átomos de la zona P, tras lo cual volverán a la batería.

union PN polarización directa

En cambio, si polarizamos la unión de manera inversa, el exceso de electrones que cede la batería trataría de atravesar la zona de unión PN pasando a través de la zona P.  El problema es que los iones negativos de la unión en la zona P que, recordemos, ahora tienen su última órbita completa, repelen a estos electrones.

union PN polarización inversa

Éste es a grandes rasgos el funcionamiento del diodo semiconductor.   Veamos ahora cómo se comporta en un circuito, cuál es su símbolo esquemático y qué aspecto tiene:

diodos

Además de los conocidos LED (Light-Emitting Diode o diodos emisores de luz)  tenemos los diodos de señal, apropiados para rectificar corrientes bajas; los de potencia, que pueden aguantar grandes corrientes sin destruirse; e incluso grupos de diodos como los puentes de Graetz (o puente rectificador), compuestos por cuatro diodos y destinados a rectificar las dos fases de una corriente alterna.  Otros diodos igual de interesantes son los Zener, usados como reguladores de tensión, los varicap que pueden variar su capacidad interna para comportarse como un condensador variable en función de la tensión aplicada.

El símbolo genérico del diodo es éste:

diodo esquemático

Sus terminales A y K representan al ánodo y al cátodo respectivamente. La polarización directa consiste en conectar el cátodo al polo negativo de la alimentación y el ánodo al positivo; con esa configuración el diodo conducirá.  En este circuito el diodo se encuentra correctamente polarizado por lo que la carga R1 recibirá a tensión de la batería (menos la caída de tensión de 0,7 o 0,3 V propia del diodo)

diodos_1

El siguiente circuito muestra un LED (diodo emisor de luz) polarizado correctamente.

diodos2

Los LED tienen una tensión de alimentación que hay que respetar pues si la sobrepasamos se quemará.  En la práctica, esta tensión se limita colocando una resistencia en serie.  En este circuito la carga R1 hará las veces de limitador de tensión.

Un LED consume, aproximadamente, 20 mA, y dependiendo del color necesitará una tensión u otra para funcionar:

LED amarillo 1,7 V

LED rojo 1,6 V

LED ambar 2 V

LED verde 2,1V

LED azul: 3,4

En cualquier caso conviene revisar la hoja de características del diodo.

Pongamos un ejemplo; con estos valores y tratando de encender un LED verde, si la fuente de alimentación entrega  5 V de corriente continua, necesitaremos una resistencia que absorba 5 – 2,1 V= 2,9 V  Consumirá 20 mA.  El cálculo del valor de la resistencia se puede hacer con las fórmulas explicadas en esta entrada.

R = U/I  =  2,9 V / 0,02 A = 145 Ω

La potencia W = I * U = 0,02 A * 2,9 V = 0,058 W = 58 mW

Necesitamos una resistencia de 145 Ω y capaz de absorber 58 mW; en la práctica escogeremos una de valor normalizado más próximo hacia arriba, por ejemplo: 180 Ω y 125 mW.  Con eso nos garantizaremos el buen funcionamiento del LED.   Más adelante publicaré una entrada dedicada en exclusiva a los diodos LED.

Detalles curiosos:  El silicio con el que se fabrican los diodos de semiconductor y también los circuitos integrados es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre.  Lo puedes encontrar todos los días en la arena de playa que es, en su mayor parte, sílice (u óxido de silicio)

 

Recuerda que nos mudamos. nuestra nueva dirección es:

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