CARLOS GOMEZ SALAZARltima revisin: diciembre 2012INTRODUCCIN:
Eldiodo semiconductorno solo es de gran importancia en las
aplicaciones electrnicas modernas, sino que adems la teora de
launin n-psirve como fundamento en la comprensin de los
dispositivos semiconductores. Pero antes de verqu es un diodo
semiconductor,por qu rectifica,qu diferencia hay entre un diodo
rectificador y uno demodulador de AM, yqu es la corriente inversa
de saturacin, el voltaje de ruptura y qu es el voltaje umbral, es
conveniente comenzar especificando cul es la representacin de la
circulacin de corriente elctricaqueseutilizar.
En cada "rama"de un circuito (parte del circuito entre dos
bifurcaciones o "nodos", formada por alambres y componentes,todos
conectados en serieuno con el otro),puede haber solo una corriente
elctrica, caracterizada por su magnitud ("intensidad de corriente")
que es un nmero realIcon la unidad correspondiente (ampere, A, para
la corriente en el S.I. de unidades), y uno de los dos sentidos de
circulacin (hacia uno u otro extremo de la rama). Se conviene en
que el signo positivo (o negativo) de la intensidad de
corrienteIindica que fluye en el mismo sentido (o al revs) del
indicado esquemticamente por la flecha en los diagramas de
circuitos:I>0Asifluyeenelsentidoindicado;o bien,I< 0 A cuando
fluye al revs.
Pero hay que convenir adems si la corrienteIrepresenta un flujo
de cargas positivasodecargasnegativas.Desde el punto de vista de la
energa de las cargas en un punto del circuito, el problema es
anlogo al caso de la masamde un cuerpo en elcampo gravitatoriogde
la Tierra, donde el cuerpo sufre una variacin de altura
hcayendohacia una energa potencialgravitacional(mgh+constante)
menor:Los portadores de carga elctricaqde un circuito fluyen hacia
un voltajeVdonde tienen una energa
potencialelctricaU(=qV+constante) menorPero en el caso del
Electromagnetismo, a diferencia de la Gravitacin, existe la
repulsin y pueden haber portadores de cargas positivas (q> 0 C)
y negativas (como loselectrones libresen un metal, que tienen
cargaq= -e< 0 C). Para unas la variacin de voltaje Vtiene un
signo, y para las otras (que circulan al revs) Vtiene el signo
opuesto. Pero como ambos factores (qy V) cambian de signo, entonces
la variacin U=qVde energa potencialUes igual en ambos casos, y
entonces resulta querespecto del voltaje hay dos formas
equivalentesde representar la misma corriente:(i) Cargas positivas
yendo hacia un voltaje menor(ii) cargas negativas yendo hacia un
voltaje mayorAqu se adopta la primera, que es la convencin ms
difundida:Irepresenta la circulacin de cargas
elctricaspositivasfluyendohacia un voltaje menor
Diodo
Diodo en primer plano. Ntese la forma cuadrada del cristal
semiconductor (objeto negro de la izquierda).
TipoSemiconductor
Principio de funcionamientoEfecto Edison
Fecha de invencinJohn Ambrose Fleming(1904)
Smbolo electrnico
ConfiguracinnodoyCtod
Entonces la corrienteI> 0 A sale del borne de mayor potencial
de la fuente de voltaje (indicado con "+"), pasa a travs de todos
los elementos del circuito ("cayendo" a un voltaje menor), y entra
por el borne negativo de la fuente.En el caso de los conductores
(metales), laverdadera"corriente fsica" de cargas elctricas circula
al revs que la "corrienteconvencional"I> 0 A que se representa
en los esquemas (como se muestra en la Figura).
fig. 1:Diagrama esquemtico de una fuente de voltaje ideal
conectada a un resistor. En el circuito se indica el sentido de
circulacin de la corriente elctrica de intensidadI> 0 A, segn la
convencin adoptada (circulando al revs que loselectrones
libresdentro del material conductor del resistor).Hay que enfatizar
que"dentro" de la fuente de voltaje(que es el elemento que realiza
trabajo para mantener la circulacin de cargas a travs de un medio
disipativo), la corrienteI> 0 A va desde el borne "-" al borne
"+". A la fuente de voltaje se la denomina "Fuerza Electromotriz"
(FEM), yen su interiorlas cargas son llevadas (mediante la
transformacin de alguna forma de energa) a una energa potencial
mayor.Pero"fuera" de la FEM, sobre cada elementopasivodel circuito,
la corrienteI> 0 A va al revs (desde "+" hacia "-"). Estos
voltajes o diferencias de potencial elctrico se denominan "cadas de
voltaje", porque corresponden a una corriente de cargas que "caen"
hacia una energa potencialinferior,enunvoltajemenor.En el caso de
la corriente de cargasnegativasdentro de un metal, fuera de la FEM
tambin caen a una energa potencial inferior, pero fluyendo hacia
unvoltaje mayor.DIODO SEMICONDUCTOR (Diodo deunin n-py
diodoSchottky)
1-QUES
Unrectificador de corriente elctricao"DIODO"es un componente
electrnico de 2 (o ms) terminales o electrodos, quesolo permite la
circulacin de la corriente en un solo sentido, que para cargas
elctricaspositivases desde el electrodo "A" de mayor potencial
elctrico (denominadonodo), hacia el electrodo "K" de menor
potencial (denominadoctodo). Por lo tanto un diodo es, en general,
un componente unidireccional,asimtrico.
Unrectificador perfectoes el que para cualquier voltaje
aplicado, no conduce absolutamente ninguna corriente de cargas
positivas desde K hacia A, mientras que al revs, conduce cualquier
valor infinitamente grande decorriente.
Existe un conjunto muy grande de rectificadores semiconductores
y dispositivos relacionados con caractersticas fsicas y geomtricas
propias, segnlafuncinquedebanrealizar.Los primeros componentes
electrnicos que dominaban la Electrnica a mediados del Siglo XX,
fueron las"vlvulas" termoinicas, tambin denominadas "lmparas" o
"tubos" termoinicos. El voltaje de la "placa" (nombre del nodo de
las vlvulas) es suficientemente mayor al del K como para que
electrones del K abandonen el metal, y formen una corriente
interior desde el K hacia la placa. Por lo tantotodas las vlvulas
rectifican corriente elctrica. La ms simple, eldiodo termoinico,
posee 2 terminales para los electrodos (K y placa) y otros 2
terminales para un calefactor del K (En algunas vlvulas el
calefactor tambin acta de ctodo). El diodo termoinico se usa
especficamente pararectificar, mientras que otros tipos de vlvulas
tienen ms terminales para realizar otras funciones (como por
ejemploamplificar).Con el desarrollo de laElectrnica de "Estado
Slido"a partir de la concepcin de la Fsica Cuntica (entre 1900 y
1927), la invencin deltransistor bipolar(de contacto en 1947 y de
unin en 1951) y la fabricacin de transistores (a partir de 1954),
en la segunda mitad del Siglo XX comenzaron a desarrollarse una
infinidad de componentes semiconductores, y entre ellos, muchos
tipos especiales de rectificadores. A uno de los dos ms simples se
lo conoce simplemente como "diodo rectificador
(semiconductor)".
Fig. 2:Fuente de voltaje alternoVACalimentando una
resistenciaRLde carga a travs de(a)un diodo termoinico (omitiendo
el calefactor y su circuito) y(b)un diodo de estado slido. En ambos
circuitos, debido al efecto del rectificador, aRLsolo llegan los
semiciclos positivos deVAC. Estos dos componentes son los
rectificadores ms elementales de cada generacindedispositivos
electrnicos.Por su propiedad ms importante (conducir corriente en
un sentido y bloquearla en el otro), el smbolo electrnico del diodo
semiconductor es una "flechita" en elsentido de circulacin
"directo" (forwarden ingls), desde A hacia K. El sentido
correspondiente a voltajes negativos, se
denomina"inverso"(reverse).Por su propia construccin fsica, aunque
se pueda hablar de voltaje inverso, en las vlvulas termoinicas no
existe ninguna corriente inversa. En los dispositivos de estado
slido esto es diferente. No solo existe una corriente inversa, sino
que adems es muy importante en el funcionamiento de muchos
dispositivos (por ser muy sensible a la iluminacin y a la
temperatura).Este artculo trata de los 2 tipos ms simples de
rectificadores modernos (semiconductores) mostrados en la Figura
siguiente,compuestos por (la uninocontactode)dosmateriales:(1)
Diodos de "Unin Semiconductor-Semiconductor": son los ms conocidos
(comnmente llamados "diodos rectificadores"), constituidos por la
unin de un semiconductor dopadotipo-ncon un semiconductor del
mismomaterialperotipo-p(diodosde"uninn-p");
(2) Diodos de "BarreraSchottkyMetal-Semiconductor"o
"DiodosSchottky": son los primeros que existieron (llamados "diodos
de seal"), constituidos por un metal y un semiconductor
dopadotipo-p. Estos 2 materiales suelen estar ligados mediante
uncontacto puntualo por unauninfsica, como por ejemplo mediante
difusin.
Fig. 3:Muestra de los dos tipos de diodos semiconductores ms
comunes y simples: un diodo rectificador 1N4007, deunin n-pde
silicio (con encapsulado plstico) y dos diodos de seal
1N60,Schottkyde germanio (con encapsulado de vidrio). En el smbolo
de este ltimo, el K se indica con una"S"de"Schottky".En el Apndice
"Otros diodos y dispositivos relacionados", se mencionan por
comparacin algunos tipos especiales de rectificadores de estado
slido con estructura ms compleja, como diodoszener,varactores,
diodostnel, diodos reguladores de corriente (CRDs),
diodosShockley,DIACs, diodos emisores de luz (LEDs), fotodiodos,
fotoceldas y algunos rectificadores de 3 terminales que no son
realmente diodos (o son algo ms que diodos), pero que en algn
sentido estn relacionados a los rectificadores (comolosSCRs,
losTRIACsy los diodoszenerprogramables).
2-PARAQUSIRVE(1)El rectificador ms conocido es el"DIODO DEUNIN
n-p"o simplemente"DIODO RECTIFICADOR". En algunas de sus
aplicaciones se usa solamente la propiedad de conducir corriente en
un sentido y bloquearla en el otro. En otras se usa la propiedad
del aumento brusco de la corriente con el voltaje al alcanzar sus
valores lmite de voltaje (rupturaen inverso, yumbralen directo) y
en otras la dependencia del voltaje directo con la temperatura.
Porejemplo:(1.1) Rectificadores de Voltaje y de Corriente:Esta es
la aplicacin ms extendida y conocida de un rectificador, donde 1, 2
4 diodos conectados al secundario de un transformador de una fuente
de alimentacin, sirven para convertir corriente alterna (AC,Altern
Current) en corriente con una sola polaridad, para despus (con
otros elementos de circuito), convertirla finalmente en corriente
continua (DC,Direct Current).
Fig. 4:Diagramas esquemticos de fuentes AC de voltajeVi(bobinado
secundario de un transformador) con rectificadores. El voltaje de
salidaVocorresponde a: (A) media onda implementada usando un
bobinado simple con 1 diodo; (B) onda completa, bobinado simple con
4 diodos, (C) onda completa, bobinado de punto medio con 2 diodos;
y (D) rectificador bipolar de onda completa simtrica, bobinado de
punto medio con 4 diodos.Los diodos rectificadores tambin se usan
en paralelo con un interruptor, para reducir a la mitad la potencia
de calefactores en diversos aparatos (soldadores, secadores de
pelo, estufas, etc.), ya que durante medio ciclo (lamitaddel
tiempo)noconducen.(1.2) Compuertas Lgicas:Con diodos rectificadores
y transistores se pueden implementar configuraciones que se
comportan como "circuitos lgicos", realizando las operaciones
bsicas (not,oryand, o las universalesnorynand), y combinaciones de
ellas. Estos circuitos se usan en indicadores luminosos, en
sistemas de control electrnico, en conmutacinactivacin
derelays.(1.3) Multiplicadores de Voltaje:Conectando diodos
rectificadores y condensadores, se pueden implementar
configuraciones de alto voltaje que cargan los condensadores en los
semiciclos AC, aumentando el voltaje entre dos puntos dados del
circuito. Se utilizan en fuentes de alto voltaje (como por ej. las
fuentes de TVs y de ozonizadores de aire en hospitales y de agua en
piscinas).
Fig. 5:Diagramas esquemticos de un duplicador de voltaje y de un
multiplicador de voltaje extendible, a partir de una fuente de
voltaje ACVi(t) de amplitudVM, condensadores y diodos
rectificadores. En el segundo circuito, cada condensador queda
cargado conVMy, donde se unen el diodo y el condensadorn-simos, se
tieneelvoltajedesalidaVo=nVM.(1.4) Reguladores de voltaje y
Protectores de Sobrevoltaje:Los diodos rectificadores pueden
limitar el voltaje de 3 modos diferentes: sin conducir en inverso
(A en la Fig. siguiente), sin conducir en directo (B), y
conduciendo en directo (D). Un cuarto modo es limitar el voltaje
conduciendo en inverso, que se realiza con un diodo especial,
denominadozener(C en la Figura).
Fig. 6:Curva caracterstica de un diodo, indicando cuatro puntos
de trabajo de protectores de sobretensin (A y B) y reguladores de
voltaje (C y D) utilizando un diodo, con los correspondientes
diagramas esquemticos de los circuitos. En A y en C se utiliza el
voltaje inverso de rupturaVBRcomo lmite de voltaje, mientras que en
B y en D el voltaje umbralV. En A y en B el diodo no conduce (acta
comoprotectorde sobrevoltaje), mientras que en C y en D el diodo
deja pasar corriente fijando el voltaje (acta comoreguladorde
voltaje). A, B y D se implementan con un diodo rectificador comn,
mientras que C tiene un diodozener.(a) Proteccinpor voltaje de
rupturaVBR(VRMax), conectado en inverso sin conducir(A en la Fig.
anterior): Esta configuracin se fundamenta en que la curva
caractersticaIvs.Ven inverso tiene un "voltaje de
ruptura"VBR(breakdown, tpicamente 2-1000 V dependiendo del tipo de
diodo) y una pendiente muy pronunciada (zona de avalancha). Esto
significa que cuando no se alcanza ese voltaje, el diodo tiene una
resistencia muy grande (no conduce), pero cuando un transitorio de
voltaje intenta sobrepasar el valor de ruptura, el diodo se vuelve
conductor (con muy baja resistencia) en sentido inverso,
manteniendo al voltaje cercanoalderuptura.Conectando entonces al
diodo en oposicin y en paralelo con el circuito que se desea
proteger, ante un sobrevoltaje de tensin transitorio y que supere
el voltaje de ruptura, el diodo deja pasar corriente (en inverso)
"absorbiendo" el transiente en una fraccin de microsegundo (y
posiblemente fundiendo algn fusible para
interrumpirelfuncionamiento).Para AC se conectan dos diodos en
"anti-serie" (en serie pero uno en oposicin con el otro), y el
conjunto anti-serie conectado en paralelo con el circuito que se
desea proteger. De las dos barreras en serie, limita la mayor, la
de ruptura. De este modo, durante una sobretensin que supereVBR,
segn su polaridad, uno deja pasar corriente en directo y el otro en
inverso, impidiendoqueaumente voltaje.En general los rectificadores
no se usan de este modo, ya que no estn preparados para conducir en
sentido inverso. Por eso, cuando los diodos rectificadores
(comunes) se usan as, es para transientes no repetitivos.(b)
Proteccinpor voltaje umbralV, conectado en directo pero sin
conducir (B en la Fig. anterior): Esta configuracin es similar a la
anterior pero para proteccin contra sobrevoltajes muy pequeos. Se
fundamenta en que la curva caractersticaIvs.Ven directo tiene un
"voltaje umbral"V(threshold) y una pendiente muy pronunciada (En
diodos de germanio (Ge) esVGe 0.25 V y en diodos de silicio (Si)
esVSi 0.6 V). Conectando entonces al diodo en directo y en paralelo
con el circuito que se desea proteger, ante un voltaje transitorio
y que tienda a superar el umbral, el diodo conduce
"absorbiendo"eltransiente.Para AC se conectan dos diodos en
"anti-paralelo" (back-to-back), y el conjunto anti-paralelo
conectado en paralelo con el circuito que se desea proteger. En
paralelo, la barrera que limita es la menor, la del voltaje umbral
(ya que en general, para los rectificadores, el voltaje umbral es
mucho menor que el voltaje de ruptura). De este modo, durante la
sobretensin, segn su polaridad, uno de los diodos deja pasar
corriente en directo, impidiendo que aumente demasiado el voltaje
Esta proteccin es utilizada para voltajes relativamente bajos. Para
mayores voltajes y potencias, en vez de utilizar varios diodos, se
utiliza unvaristor(VARiable resISTOR), tambin denominadoVDR(Voltage
Dependent Resistor). El ms comn es elMOV(Metal Oxide Varistor),
fabricado con material policristalino sinterizado compuesto de
xidos de zinc (Zn) con xidos de bismuto (Bi), cobalto (Co) y
manganeso (Mn). Este material tiene uniones semiconductoras entre
granos, por lo tanto se puede modelar como un conjunto o arreglo de
diodos en serie y en paralelo.
(c) Regulador de voltaje mediantevoltaje umbralV, conduciendo en
directo (D en la Fig. anterior):En paralelo con el circuito que se
desea proteger, funciona como "anclaje" de voltaje (clamp diode).La
regulacin de voltaje directo no es muy buena, pero de todos modos,
porcentualmente es muy superior a las variaciones
relativasdelacorriente.Para regular simtricamente circuitos de AC
de este modo, se colocan en anti-paralelo. Cuando se requiere que
acte a voltajes mayores, se colocan ms diodos en serie, y para
aumentar la capacidad de absorber corriente, secolocan.Para una
mejor regulacin de voltaje, en vez de esta configuracin conduciendo
en directo, es ms comn utilizar un solo diodozenerconduciendo en
inversa (como en C de la Figura anterior). La curva caracterstica
en la zona inversa de ruptura es mucho ms pronunciada que la zona
de conduccin directa (como se ve con el trazador de curvas en un
Apndice al final), por lo que unzenertiene mejor regulacin de
voltaje. Adems se consiguen diodoszenerde varios voltajes (cosa que
no sucede con los voltajes umbral).(1.5) Transductores de
temperatura a voltaje:Los diodos semiconductores rectificadores son
muy fciles de usar en termometra industrial y en laboratorios,
comotermmetrospequeos, rpidos, confiables, de gran exactitud y
repetibilidad, incluyendomuybajastemperaturas.La termometra usando
diodos semiconductores est basada en la dependencia del voltaje
directoVF(T,IF) con la temperaturaTy la corriente directaIFen
unaunin n-p. Para que solo dependa deT, se usa una pequea corriente
elctricaconstante, tpicamenteIF 10 A (0.1%), lo suficientemente
baja como para no sobrecalentar ni el dispositivo ni el sistema
donde se mideT, y lo suficientemente alta como para que la magnitud
deVFsea relativamente grande (del orden de 100 mV superior) para
ser "leda" con un circuito electrnicostandard.
La"curva de respuesta con la temperatura"VF(T)de unaunin n-pcon
Ge o con Si, es relativamente lineal solamente en rangos pequeos de
temperatura. Pero con la Electrnica moderna, la alinealidad no es
un problema. Muchos controladores de temperatura tienen un
algoritmoPIDy un termmetro formado por el diodo sensor de
temperatura, con los puntos (VF,T) obtenidos en una calibracin
previa, guardados en la memoria.
Fig. 7:Diagrama esquemtico de curvas caractersticasCorriente vs.
Voltajede un diodo a una misma corrienteIFpero a diferentes
temperaturas (T10V)osinella(V=0V).Lasvlvulas
termoinicasrectificadoras estn diseadas fsicamente para que esta
barrera a la conduccin en directo sea menor que al revs. En la
barrera interviene la energaEWnecesaria para hacer que los
electrones abandonen el material del K (denominada "funcin
trabajo"). Al aumentar el voltaje de la placa en relacin al K,
aumenta la energa potencial elctrica de los electrones en el
material del K. Como hay que "arrancarlos" de la superficie del K y
acelerarlos hasta la placa, el voltajeVpsobre las vlvulas es
relativamente alto. Para que esteVpsea menor, (i.e., para que
cueste menos funcin trabajo), se utilizanctodos calientes. El
proceso se denomina "emisin termoinica", y tpicamenteVp 100-500
V.
Eldiodo semiconductor de uninfunciona de un modo muy diferente,
pero tambin hay que aplicar un voltaje umbral para vencer una
barrera (aunque mucho menor que en las vlvulas). A continuacin se
explica cualitativamenteel origen fsico de los parmetros que
determinan la curvaCorriente
vs.FuncionamientodeldiodosemiconductorrealTres parmetros
importantes en el funcionamiento del diodo rectificador de
uninn-pydiodoSchottkyrealesson:(1)Intensidad de corriente inversa
de
saturacinIo(2)VoltajeinversoderupturaVBR(VRMax)(3)Voltaje(directo)umbralV
Cuando se fabrica un diodo deunin n-p, al poner en contacto dos
materiales con concentracin distinta (exceso de electrones libres
en eltipo-ny exceso de agujeros en eltipo-p), habrdifusin de
portadores de cargade uno y de otro lado atravsdelaunin.Entonces,
loselectrones(portadores de carganegativosy mayoritarios en el
materialtipo-n) difundirn hacia eltipo-p, dejando iones positivos
donadores "desnudos" (en eltipo-n), cruzando la unin y
recombinndose con agujeros, haciendo que queden iones negativos
aceptadores desnudos (en eltipo-p).Anlogamente,
losagujeros(portadores de cargapositivosy mayoritarios en el
materialtipo-p) difunden hacia eltipo-ncruzando la unin y
recombinndose con electrones (En un diodoSchottkysucede algo
relativamente similar, pero con electrones libres y un metal en vez
de un semiconductortipo-n).
Fig. 12:Representacin esquemtica de la estructura de un diodo
semiconductor deunin n-p. Debido a la recombinacin de electrones
libres deltipo-ncon los agujeros deltipo-p, alrededor de la unin
quedan iones que generan un campo elctrico intrnseco (de
contacto)Enpdesde eltipo-nhaciaeltipo-p.Por lo tanto, la zona de
material (originalmente neutro)tipo-nque rodea la unin queda
positiva, y la zona cercana a la unin dentro del
materialtipo-pqueda negativa, dando lugar a la aparicin de uncampo
elctrico inverso, intrnseco o de contacto,Enp, que "apunta" desde
eltipo-n(positivo) hacia eltipo-p(negativo).
Este campoEnpdenhaciapproduce una fuerza elctricaFnp=qEnpsobre
las cargasq. Esta fuerza esten contra de los agujerosque estn
difundiendo hacian, y anlogamente, el mismoEnpproduce una fuerza
elctricacontra los electronesqueestndifundiendohaciap.Por lo tanto,
la difusin persiste hasta que elEnpllegue a ser lo suficientemente
intenso en la unin, como para compensar la difusin y establecerel
equilibrio.Laregin de recombinacinque rodea la unin donde existe el
campo elctricoEnp, se denominaregin de deplexin, o regin de carga
de espacio, o regin de transicin(depletion region;depletion layer)
y tiene un espesor.
La existencia deEnp(que apunta denhaciap), hace que en la regin
de recombinacin exista una variacin o salto de potencial
elctricoV0(de unas cuantas dcimas de volt, mayor ennrespecto dep),
y por lo tanto hay una barrera de energa potencial
electrostticaeV0para los agujeros y una barrera-eV0para para los
electrones(1)CorrienteinversadesaturacinIoEs importante observar
que la existencia de esta regin intermediasinportadores de carga
(ni electrones libres ni agujeros), hace
queeldispositivonopuedaserconductor.Cuando el dispositivo se
polariza ensentido inverso o de bloqueo(reverse bias),VR< 0 V,
aparece un campo elctrico exteriorEextadicional en la misma
direccin (atravesando la unin a lo largo de la regin de
recombinacin). Como en el materialtipo-nel potencial aplicado
externamente es positivo respecto deltipo-p, el campoEextsobre todo
el material tiene el mismo sentido queEnp, por lo que el campo
elctrico total en la unin es la suma de dos campos inversos y posee
una intensidad (inversa) mayor:ETOTAL=Enp+Eext. Esto significa
queaumenta el ancho de la regin de recombinacin, la barrera se hace
mayor y no puede haber flujo de cargas. Entonces, a travs de launin
n-pen el cero absoluto (T= 0 K) nohayconduccineninverso.
El estado de no conductor a 0 K con polarizacin inversa cambia
cuandoT> 0 K. La presencia del campo elctrico de los tomos
desnudos con energa trmicakT, rompe algunos enlaces covalentes
cercanos, y entonces aparecenpares agujero-electrn libregenerados
por la agitacin trmica en ambos lados de la regin de transicin.El
electrn de los pares generados en eltipo-nse liga a algn in
positivo cercano, y el agujero de los pares generados en eltipo-pse
liga a algn in negativo (como se muestra esquemticamente en la
Figura).
Por lo tanto, alrededor de la unin aT> 0 K los agujeros en
eltipo-ny electrones en eltipo-pgenerados trmicamente, bajo la
fuerza del campo elctrico inverso atraviesan la unin hasta
recombinarse (flecha verde).Esto constituye una pequea corriente
inversaIRcuya intensidad con muy poco voltaje inverso alcanza el
valor lmiteIo, que es el parmetro denominadocorriente inversa de
saturacindel diodo.
Fig. 13:Representacin esquemtica del origen de la corriente
inversa de saturacinIoen un diodo semiconductor deunin n-p. En la
zona de transicin aT> 0 K, se rompen enlaces generandopares
agujero-electrn. De este modo quedan agujeros entre los iones
positivos deltipo-ny electrones entre los iones negativos
deltipo-p, que se recombinan movidos porelcampoelctrico inverso.En
un diodoperfectoIo 0 A, pero en un diodoidealla teora
deShockleypredice y explica la existencia deIo, observada en los
diodosreales(oprcticos).Esta corriente inversa se desprecia en
muchas aplicaciones, ya que es del orden de 100 A y 0.1 A en diodos
de Ge y de Si respectivamente. Pero por otro lado, existen otros
dispositivos donde se utiliza la sensibilidad deIocon la
temperatura o bien con la iluminacin (dado que tambinla luz visible
puede romper enlaces
covalentesygenerarpareselectrn-agujero).(2)VoltajeinversoderupturaVBR(VRMax)Si
el voltaje inverso sigue aumentando negativamente, finalmente
alcanzar un voltaje lmite -VBRasociado a otra barrera, a partir de
la cual comienza una conduccin en sentido inverso. Esta corriente
inversa normalmente destruye al dispositivo, salvo los
especialmente diseados para conducir en ese rgimen hasta un valor
mximo de potencia (denominados diodosZener).El caso ms comn es que
cuandoVR= -VBRlos agujeros y electrones generados trmicamente que
componen la corriente adquieren energa suficiente como para liberar
enlaces de electrones de valencia y as producir nuevos portadores
de carga. A su vez, estos nuevos portadores liberan otros, en un
proceso acumulativo denominadomultiplicacinporavalancha".
Pero existe otro mecanismo que origina conduccin inversa. Si los
portadores de carga no tienen energa suficiente para romper enlaces
en las colisiones, igual es posible que se produzca una"ruptura"
(breakdown)al alcanzar un voltaje -VBRasociado a un campo elctrico
inverso suficientemente intenso como para romper directamente los
enlaces. En este caso la conduccin inversa se denominazener, y se
produce generalmente en diodos donde el voltaje de
rupturaVBResmenorqueunos6V.En la prctica, los trminos "Zener" o
"ruptura" se utilizan en general, no solo para los diodos de
ruptura sino tambin para los de avalancha que poseen,en
principio,voltajesVBRmuchomayores.En un diodoperfectoy en un
diodoidealno hay ruptura, es decir,VBR . Pero en un diodorealVBRes
un parmetro muy importante, de valor finito.(3)VoltajeumbralVEn un
diodoperfectoy en un diodoidealtampoco hay voltaje umbral, es
decir,V 0 V. Pero en un diodorealVtambin es un parmetro muy
importante, de valor finito, como se verifica experimentalmente en
las imgenes del cuadrante I de la curvaI vs. Vvistas en el trazador
de curvas. En efecto, se observa en las curvas que la conduccin en
directo de un diodo de unin de Si y de un diodoSchottkyde Ge es
nula o casi despreciable hasta que el voltaje directo alcanza un
valor umbral. Veamos cmo esto se explica cualitativamente.
Fig. 14:Representacin esquemtica del cambio en el ancho de la
regin de transicin con las polarizaciones inversa y directa.Cuando
el dispositivo se polariza ensentido directo(forward bias),VF> 0
V, el campo elctrico exteriorEextque atraviesa la unin a lo largo
de la regin de recombinacin, ahora tiene sentido opuesto al campo
intrnsecoEnp, por lo que el campo elctrico total posee una
intensidad menor:ETOTAL=Enp-Eext. Esto significa que el campo sobre
la unin polarizada directamentedisminuye el ancho de la regin de
recombinaciny consecuentemente la barrera se hace ms delgada. Pero
si an queda algo del campo intrnseco que el campo exterior no haya
cancelado, persiste parte de la barrera y el dispositivo sigue en
estado "no conductor".El voltaje umbral es el que produce un campo
exterior directo que cancela al campo intrnseco inverso, y a partir
del cual, sin barrera, podr haber conduccin. ste es entonces el
origen del voltaje umbral.Curva Caracterstica CorrienteIvs.
VoltajeVdel diodo semiconductorConsiderando portadores mayoritarios
y minoritarios, el fsico e inventor estadounidenseWilliam Bradford
Shockley(1910-1989)en 1949 elabor la teora de launin n-pcon su
clebre ecuacin para la corriente inversaIo, que conduce a la
expresin de la corrienteIen funcin del voltaje
aplicadoV(polarizacin inversa o directa), conocida comoLey del
Diodo Ideal deShockley:I=Io(eeV/(kT) 1)donde la corriente inversa
de saturacin esIo=constantexT2e-EG0/(kT)siendoEG0EG(0K) el valor
delgapdel material aT= 0 K.
Fig. 15:Representacin esquemtica de las curvas caractersticas de
un rectificador perfecto, un diodo ideal (Ecuacin deShockley) y de
un diodo semiconductordeLa Ecuacin deShockleydescribe bastante bien
el comportamiento para pequeas corrientes de undiodoidealde
uninn-pde germanio(conEG0Ge= 0.785 eV), donde dominan las
corrientes de difusin. Pero en el caso de un diodos de Si o de
GaAs, es necesario hacerle correcciones. Esto se debe a efectos de
superficie, a efectos de "tunelaje" en la unin, y otros fenmenos no
considerados enladeduccindeShockley.La curvaIvs.Vdeldiodoidealde
uninn-pde siliciocrece ms suavemente que la caracterstica del diodo
de Ge. Con las primeras dcimas de voltio deV, el crecimiento de la
corriente directaIFcomienza variando comoeeV/(2kT)(en vez
deeeV/(kT)como es para el Ge). Haciendo las correspondientes
correcciones, la caracterstica para el Si resulta:I=Io(eeV/(nkT)
1)donden= 2 cuando domina la recombinacin (corrientes pequeas),n= 1
cuando domina la difusin (corrientes grandes), 1>
1,setieneIFconstantexe-EG/(kT)eeVF/(nkT)=constantexe(eVF-EG)/(nkT)de
donde resulta que manteniendo la corriente directaIFconstante y
pequea(cercanaalumbral),Tconstantex(EG-eVF)A0+A1VFEntonces se puede
estimar experimentalmente elgapaT 300 K usando la relacin (lineal)
del voltaje directoVFcon la temperaturaTdel material del diodo
semiconductor (alrededor de la temperatura ambiente), a partir del
cocienteEG/e= -A0/A1entre la ordenada al origenA0y (menos) la
pendiente -A1, como se describe en elApndice "Medicin delgapde un
semiconductor" del artculoEl Semiconductor (Tipo-nyTipo-p), usando
un diodo deunin n-p1N4007 para el Si, y un diodoSchottky1N60 para
el Ge.Trescomentariosms:Las uniones entre dos materiales elctricos
diferentes, tienen otras aplicaciones.(1) Cuando se ponen en
contacto dos metales diferentes ... se forma un rectificador?Los
metales (puros y aleaciones) tienen electroneslibres(disponibles
para la conduccin elctrica) con diferentes energas, dependiendo de
la temperatura y de los niveles electrnicos de la banda de valencia
de cada metal. Qu ocurre entonces cuando se ponen en contacto 2
metales diferentes?Hayuna barrerade potencial?Cuando se ponen en
contacto migran electrones de un metal al otro hasta que un campo
elctrico equilibre el gradiente de concentracin en la unin,
provocando la aparicin de un voltaje (potencial de
contactoopotencial termoelctricoSeebeck) aproximadamente
proporcional a la temperatura de launin.La uninmetal-metalse
llamatermopary es una clase de dispositivos muy importantes, con
gran aplicacin entermometracomotransductores de
temperaturaavoltaje.Por ejemplo, eltermopar tipo-Kest formado por
el par de aleaciones denominadaschromel(90%Ni-10%Cr)
yalumel(95%Ni-2%Mn-2%Al-1%Si). Elchromelresulta positivo respecto
delalumely la sensibilidad del termopar tipo-Kes41V/oC.Pero un
termopar no es un rectificador, ya que ninguno de los dos metales
constituyentes tienegap. S es asimtrico (debido al
potencialSeebeckque tiene una polaridad definida), pero no es un
rectificador, pues conduce fcilmenteenambossentidos.
(2) Los terminales metlicos en los extremos de un diodo deunin
n-p, formandosrectificadoresSchottky?Lgicamente aparecern dos
potenciales de contacto en estas
unionesmetal-semiconductoradicionales, en los extremos del diodo
semiconductorn-p. Sin embargo estas uniones se fabrican para que no
rectifiquen, para que sean simplemente un contacto resistivo.Cuando
se tiene este tipo de unin, que es independiente del sentido y de
la intensidad de la corriente, en vez de llamarse "unin", se la
denominacontacto hmico. En general se reserva la denominacin "unin"
para la existencia de una "barrera de energa potencial", que
produce la rectificacin.
(3) El fenmeno inverso alSeebeckes el EfectoPeltier, descubierto
en unionesmetal-metala travs de las cuales se obliga a circular una
corriente elctrica.La aplicacin de este efecto termoelctrico
enrefrigeradores termoelctricossin partes mviles se hizo prctica ms
de un siglo despus de su descubrimiento, pero
usandosemiconductores.Varios pares de
elementostipo-nytipo-pfuertemente dopados, se conectan formando un
mdulogenerador termoelctrico(TEG,ThermoElectric Generator). Los
elementos se interconectan (en serie y en paralelo) alternadamente
y con lminas metlicas, y el TEG queda compuesto por contactos
hmicosmetal-semiconductortipo-ny contactos
hmicosmetal-semiconductortipo-p. La generacin y absorcin de calor
est asociada a la diferencia de energa potencial elctrica de los
portadores en uno y otro tipo
desemiconductor.5-MISCELNEASRectificador conPiedra Galena: Un diodo
que se adelant medio siglo !A principios del Siglo XX, la Humanidad
se encontraba asombrada tanto por la magia deLa Radiocomo por el
misterio de la (rectificacin mediante la) "piedragalena".LaRadio
Galenafue un receptor de radio con los mnimos componentes que
adquiri ese nombre justamente porque sudiodo detectorse construy
medianteun metal en contacto con unapiedra galena, que es sulfuro
de plomo (PbS), el principal mineral natural del plomo, con
estructura cristalina cbicaycomportamientosemiconductor.
El efecto "rectificador de puntas de contacto" en cristales haba
sido descubierto en 1874 por el fsico e inventor alemnKarl
Ferdinand Braun(1850- 1918), quien observ la dependencia de la
resistencia con la polaridad del voltaje aplicado y con el detalle
de las condiciones en la superficie de contacto, publicado enAnn.
Phys. Chem.,153,556(1874).Mucho ms tarde, en los comienzos de la
comunicacin con RF, el fsico, bilogo, botnico, arquelogo, inventor
y escritor de ciencia ficcin bengalJagadish Chandra
Bose(1858-1937), en sus experimentos con microondas de 1894
implement la idea dedemodular ondas de radio con un cristal
semiconductor. En 1901Bosepresent una patente de un detector de
radio AM conpiedra galena, un diodo de uninconductor-semiconductor(
U.S. Patent 775,840 (1904) ).Este diodometal-galenafue el primer
componente electrnico de la Historia !. As naci tambin la primera
radio con detector agalena, la "Radio
Galena".Finalmente,Brauncomparti conMarconielPremioNobelde Fsica
1909por sus contribucionesala"telegrafasinalambres".
El diodo conpiedra galenafue un dispositivo completamente
anacrnico. Por un lado se adelant a la teora necesaria para
comprender su funcionamiento, ya que era un componentecunticode
laElectrnica de Estado Slidoque empezara a desarrollarse medio
siglo despus ! Y por otro lado, comenz a utilizarse a principios
del Siglo XX, cuando no exista ni siquiera la Electrnica (todava no
se inventaban las vlvulas termo inicas !!). Tena todas las ventajas
(respecto de las vlvulas) que tendran los dispositivos de estado
slido "del futuro", como por ejemplo ser liviano, pequeo, compacto,
econmico, sin calefaccin y de bajo consumo, casi sin desgaste ni
fallas, miniaturizable e integrable, fabricable y soldable
automticamenteyenserie.Los primeros dispositivos rectificadores
utilizaban un metal (como el oro) o grafito, en contacto con
unagalena. Fue la primera forma del diodo de estado slido, llamado
entonces "rectificador de contacto" o "rectificador de punto".
Adems de hacerse congalena, tambin se fabric con un xido de
cobre(Cu)ytambinconselenio(Se).Despus de la patente de 1904
deldiodo metal-galena, basndose en el trabajo deBraunde 1874, el
inventor estadounidenseGreenleaf Whittier
Pickard(1877-1956)desarroll y patent en 1906 eldiodo "bigote de
gato" (cat's whisker), con un alambrecito de 0.255 mm de dimetro
(AWG 30, el "bigote"), de bronce fosforado (cobre con 3.5-10% de
estao y 1% de fsforo), en contacto con un cristal de silicio
fundido. Este diodo se utiliz como detector de AM aproximadamente
entre 1906 y los aos 1940s, y laRadio Galenapas a llamarse
tambin"Radio de Cristal".Generalmente, cuando en la actualidad
alguien dice haber armado unaradio galena, en realidad se refiere a
unaradio de cristal, cuyo rectificadoresundiodoSchottkycomercial.El
diodoSchottkyha estado presente en toda la Historia de la
Electrnica y en la actualidad se sigue fabricando y utilizando
igual que antes, como detector, como si el tiempo no hubiese
transcurrido. Es uno de los grandes inventos vigentes de nuestra
Civilizacin, pero que al principio se utiliz durante dcadas sin
conocerse la teora desufuncionamiento.En laFsica Clsicano exista el
concepto degapni debandas de energasen los slidos. Por lo tanto, el
principio bsico de funcionamiento de un diodo semiconductor se pudo
desarrollar despus de establecerse los
fundamentosdelaFsicaCuntica(1927).Desde el punto de vista elctrico,
lagalenaes un semiconductor natural congappequeo (EG 0.4 eV). Es
decir que launin metal-galenaforma un rectificador donde la
barrerametal-semiconductorno es muy alta. Esta barrera de energa se
denominabarreraSchottkyen reconocimiento al fsico terico e inventor
alemnWalter Hermann Schottky(1886-1976), quien extendi la teora del
fsico terico inglsNevill Francis Mott(1905-1996)(Premio Nobel de
Fsica 1977) de 1939 sobre la rectificacin metal-semiconductor.La
barrera de potencial "semiconductor-semiconductor" de launin n-pfue
descubierta en 1939 por el ingeniero estadounidenseRussell
Shoemaker Ohl(1898-1987)quien realiz importantes investigaciones
sobre semiconductores (Todos los diodos, incluidos LEDs y LASERs,
son descendientes del trabajo deOhl. Su trabajo lo condujo a
desarrollar la primera celda solar de silicio. Present la primera
patente en 1941, "Light-Sensitive Electric Device", y la obtuvo en
1946).
En el mismo tiempo, despus de la Segunda Guerra Mundial, a un
grupo de investigadores deBell Labsse les encomend buscar una
alternativa de amplificador con elementos de estado slido, para
reemplazar las voluminosas y frgiles vlvulas termoinicas de vidrio,
es decir, desarrollar una nueva tecnologa electrnica (cuando el
nico componente de estado slidoerael"viejo"diodoSchottky).Uno de
ellos, el fsico e inventor estadounidenseWilliam Bradford
Shockley(1910-1989), tuvo la idea de modificar la conductividad de
los semiconductores usando un campo elctrico externo (Ms de 15 aos
antes, en 1930, el fsico astraco-hngaroJulius Edgar
Lilienfeld(1882-1963)haba patentado el principio de lo que ahora se
denomina MESFET, transistor por efecto de campo con unin
metal-semiconductor, basado en esa idea, pero aparentemente, nadie
la haba puesto en el contexto de los nuevossemiconductores).
Despus de intenso trabajo, dos de sus colegas, el ingeniero
elctricoJohn Bardeen(1908-1991)yWalter Houser
Brattain(1902-1987)(ambos fsicos estadounidenses), en 1947 lograron
amplificacin con untransistor de punto de contacto, inventando as
el primer transistor de la Historia.PeroShockleycontinu trabajando
en secreto en un transistor diferente. Por un lado busc un diseo
que fuese menos frgil y cuya fabricacin pudiera ser comercialmente
ms viable. Y por otro lado, estudi una mejor descripcin terica de
la conductividad, incluyendo la inyeccin de
portadoresminoritarios.Finalmente,en 1949Shockleyestableci la teora
de la curva caractersticaI vs. Vde unaunin n-py desarroll la teora
deltransistor de unin (BJT,Bipolar Junction Transistor)que llam
"sandwich transistor" ("The Theory of p-n Junctions in
Semiconductors and p-n Junction Transistors"Bell Syst. Tech.
J.28435 (1949) ) ("Electrons and Holes in Semiconductors"D. Van
NostrandPrinceton, N.J., 1950).
Por fin, en 1949 se comprenda el fenmeno descubierto porBraun75
aos antes (1874) y que vena siendo utilizado en la Radio desde el
principio del SigloXX!
Shockleyinvent el transistor de unin, lo di a conocer y obtuvo
la patente en 1951. Form su propia compana en 1955 y recibi
elPremio Nobel de Fsica 1956junto conBrattainyBardeenen
reconocimiento por la invencin del transistor, algo que cambiara
tremendamente las comunicaciones y la
tecnologadenuestraCivilizacin.Posteriormente, la teora de launin
n-pfue extendida porC. T. Sah,R. N. Noycey el
mismoShockley("Carrier Generation and Recombination in p-n Junction
and p-n Junction Characteristics"Proc. IRE451228 (1957) ) y despus
porJ. L. Moll("The Evolution of the Theory of the Current-Voltage
Characteristics of p-n Junctions"Proc. IRE461076 (1958)
).Desafortunadamente,Shockleyhizo que tambin se lo recuerde por sus
controvertidas afirmaciones racistas e ideas acerca del
mejoramiento de la raza, realizadasenlosaos1960.
Un comentario final: En esos aos (1956-7), el mismoBardeen, uno
de los 3 inventores del transistor, public junto con los fsicos
tericos estadounidensesLeon N. Cooper(1930 - )yJohn Robert
Schrieffer(1931 - )una serie de artculos explicando la
Superconductividad Tipo-I ("Teora BCS",Bardeen-Cooper-Schrieffer),
por lo que los 3 compartieron elPremio Nobel de Fsica
1972.Bardeenes la nica persona con 2 Premios Nobel de Fsica(1956
y1972).
REFERENCIAS
(1)Sze S M 1981 Physics of Semiconductor Devices; Second Edition
(N.Y.: John Wiley &Sons)
(2)Millman J and Halkias Ch C 1965 Electronic Devices and
Circuits (McGraw-Hill)TraduccinalCastellano:Millman J y Halkias Ch
C 1975 Dispositivos y Circuitos Electrnicos (Madrid: Pirmide)(Un
viejo libro de la poca, cuando a los estudiantes de Ingeniera
Electrnica se les enseabaalgo de la Fsica de los dispositivos)
(3)Horowitz P Hill W 1989 The Art Of Electronics; 2nd Edition
(Cambridge: Cambridge)
(4)Falicov L M 1980 La estructura electrnica de los slidos;
Tercera Edicin (Washington, DC: OEA) Monografa no. 3, Serie de
Fsica
(5)McWhorter G and Evans A J 1994 Basic Electronics: Electronic
Devices and Circuits, How They Work and How They Are Used
(Richardson: Master) Radio Shack 62-1394
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP.Pgina 21
