curso de electricidad 10

Hemos clasificado los mate-riales, en relación con suspropiedades eléctricas, en

dos grande grupos: los que pue-den conducir la corriente eléctri-ca, denominada conductores, ylos que no pueden conducir lacorriente eléctrica, denominadosaislantes. Sin embargo, esta clasi-ficación no es absolutamente ri-gurosa en el sentido de que notenemos ni conductores ni aislan-tes perfectos. No existen materia-les que sean conductores tan bue-nos al punto de que no presentenni mínima resistencia al paso de la

corriente en condiciones norma-les, del mismo modo que no exis-ten materiales que sean aislantesperfectos al punto de no dejar pa-sar corriente cuando se los some-te a una cierta tensión.

En verdad, una clasificaciónmás rigurosa nos llevaría a un "es-

pectro casi continuo" de las pro-piedades eléctricas de los materia-les: de los buenos conductores co-mo el oro y la plata, hasta los ma-los conductores o aislantes buenoscomo el vidrio y la mica, tendría-mos todas las graduaciones posi-bles, como muestra la figura 1.

LECCION 10

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TEORIA: LECCION Nº 10

Diodos SemiconductoresEsta lección es de gran importancia, pues en ella aprendere-mos el principio de funcionamiento de dispositivos y circui-tos. Los dispositivos que estudiaremos son principalmentelos que involucran materiales semiconductores. Las propie-dades eléctricas de estos materiales, exploradas muy bienpor la electrónica moderna, son la base de la mayoría de losaparatos con que podemos contar. Los diodos, los transisto-res y los circuitos integrados son apenas algunos de los ejem-plos de dispositivos que emplean materiales semiconduc-tores. Así, el perfecto conocimiento de las propiedades deestos materiales es de vital importancia para encarar la ter-cera parte de nuestro curso.

Coordinación: Horacio D. Vallejo

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La resistividad del material se-ría el indicativo de sus propieda-des eléctricas que varían entrevalores bajos como fracción deohm por centímetro (metro) has-ta billones de ohms por centíme-tros (metro).

Es importante para nosotrosun tipo de material que se sitúecon sus propiedades eléctricasjustamente en la banda inter-media entre los conductoresy los aislantes. Estos materia-les son los semiconductores yserán el centro de nuestrosestudios a partir de ahora.

Los Semiconductores

Los semiconductores sonsustancias cuya conductividadeléctrica está en un valor in-termedio entre la de los bue-nos conductores, como losmetales (oro, plata, cobre,etc.) y los aislantes, como vi-drio, mica, goma, etc.En com-paración con los metales, laspropiedades eléctricas de lossemiconductores son bien di-ferentes.

Así, mientras la resistencia dealambre de metal conductor au-menta con la temperatura, la re-sistencia de un alambre de mate-rial semiconductor disminuye conla temperatura, como muestra elgráfico de la figura 2.

Otra característica importantede los materiales semiconducto-res es su enorme variación de ca-racterísticas eléctricas cuando es-tán impuros. La presencia de cier-tas impurezas en un material se-

miconductor puede alterar enor-memente sus propiedades eléctri-cas, y gracias a eso es que pode-mos crear dispositivos electróni-cos muy interesantes.

Son diversos los materiales se-miconductores usados en electró-nica. Estos materiales se puedenencontrar en una región especialde la tabla de clasificación perió-dica, lo que nos revela que susátomos presentan estructuras concaracterísticas bien definidas, co-mo muestra la figura 3.

Tenemos entonces el silicio y

el germanio como elementos másusados inicialmente en la electró-nica, y hoy, con cada vez mayorintensidad, el selenio, el galio yel arsénico. Al final de la lecciónincluimos una tabla con las carac-terísticas físicas de algunas sus-tancias semiconductoras, paraque el lector, una vez que hayaprofundizado un poco más sus

conocimientos, pueda hacercomparaciones sobre los va-lores presentados. Para quepodamos entender mejor loque ocurre con los materialessemiconductores y sus pro-piedades eléctricas, debemosestudiar su estructura.

Estructura de los Semiconductores

La mayoría de los dispositi-vos electrónicos usa actual-mente el germanio o el sili-cio. Así, partiendo de estosmateriales, en nuestros estu-dios podremos abarcar lamayor parte de los dispositi-vos conocidos y de ellos de-

ducir fácilmente cómo funcionanlos demás.

Tanto el silicio como el ger-manio poseen átomos con 4 elec-trones en su última capa, o sea,poseen 4 electrones de valencia.

Estos significa que, formandouna estructura cristalina, ellos seunen unos con otros a través de4 ligaduras o enlaces, comomuestra la figura 4.

Esta figura es una representa-ción "espacial" de lo que ocurre,ya que tenemos una visión en 3

DI O D O S SE M I C O N D U C TO R E S

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dimensiones de las ligadu-ras de los átomos. Para fa-cilitar nuestros estudiospodemos perfectamenterepresentar un trozo dematerial semiconductor(germanio o silicio) en elplano, como muestra la fi-gura 5.

Así, con una figura co-mo ésta, el lector puedefácilmente percibir lo queocurre, y deducir lo quepasa en la realidad en unaestructura tridimensional.

Vea entonces que en la estruc-tura indicada todos los átomosestán rodeados por 8 electronesque completan su capa de valen-cia (recordamos que la "tenden-cia" de los átomos es completarsu capa de valencia, lo que eneste caso se obtiene con 8 elec-trones). Para esto, los átomosusan sus 4 electrones y compar-ten con sus vecinos 4 más. Elequilibrio se obtiene y el materialformado es neutro, o sea, no pre-senta excesos, ni faltas, de cargasde uno u otro signo.

En la práctica, sin embargo,las ligaduras solamente son fijasentre los átomos, así como susposiciones, en temperaturas muybajas, próximas al cero absoluto.

Por encima del cero absolutolos átomos entran en vibración.La vibración térmica tiende en-tonces a romper las ligaduras queprenden los electrones a los áto-mos, y estos se liberan. Los elec-trones adquieren entonces unamovilidad a través del material,siendo ésta la causa de su capaci-dad de conducir la corriente.

Llamamos a este fenómeno

conductividad intrínseca, pues esnatural del propio material. Perci-ba entonces el lector por qué lossemiconductores disminuyen deresistencia cuando la temperaturase eleva: la agitación de los áto-mos aumenta, se rompen más li-gaduras y se libera mayor canti-dad de electrones (figura 6).

Muy importante para la deter-minación de las características deun material es la energía; necesa-ria para romper las ligaduras queunen los electrones a los áto-mos.

Esta energía es denominada"energía de ligadura" o “deenlace” y está representada por

"Eg" o “eV” y varía am-pliamente en los materia-les comunes.Así, un material como eldiamante tiene una energíade ligadura de 5,5 eV(electrones-volt) lo quesignifica un valor elevado.El diamante es un aislante. Es difícil romper las liga-duras y con eso obtenerelectrones libres que sir-van como portadores decarga.

El germanio, por otro lado,tiene una energía de ligadura desolamente 0,7 eV mientras que elsilicio tiene 1,1 eV, lo que signifi-ca que es más fácil "arrancar"electrones de estos materialespara volverlos conductores. Inclu-so así, tales valores son altos en


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relación a los metales conducto-res en que prácticamente no exis-te una energía de ligadura, pueslos electrones pueden "moverselibremente" en su interior.

Pero, lo interesante de la libe-ración de un electrón en un ma-terial de este tipo es que no crea-mos simplemente un portador decarga negativa. La salida del elec-trón crea un "agujero" o "laguna"que, en el fondo, es un portadorde carga positiva. Representa laausencia de electrones que, comovimos, hace predominar la acciónpositiva de los protones en el nú-cleo atómico.

Así, siempre que liberamos unelectrón en un material semicon-ductor, creamos un par de porta-dores de carga: "electrón-laguna".El electrón es portador de carganegativa y la laguna es portadorade carga positiva (figura 7).

La conducción de una corrien-te por uno u otro es fácilmenteexplicada:

En el caso de los electrones,basta aplicar un addp (diferenciade potencial) en los extremos deun material semiconductor paraque los electrones salten, de áto-mo en átomo, en busca de las la-gunas correspondientes y con es-to desplazándose en el sentidodeseado.

Vea, mientras tanto, que cadavez que un electrón "salta" enuna dirección deja detrás de síuna laguna.

Esto significa que el movi-miento de electrones en un senti-do corresponde exactamente almovimiento de lagunas en el sen-tido opuesto (figura 8) en un se-miconductor.

Podemos entonces representaruna corriente en un semiconduc-tor, tanto por el movimiento delagunas como de electrones, osea, portadores negativos o posi-tivos de cargas. Este concepto esextremadamente importante parala comprensión de los dispositi-vos semiconductores.

Los electrones libres y las la-gunas que están presentes en unmaterial semiconductor puro, encondiciones normales, se deno-minan portadores "intrínsecos".

Para cada unidad de volumenconsiderada de un material semi-conductor la cantidad de electro-nes libres será igual a la de lagu-nas.

Esto da al material una cargatotal nula.

Es importante observar que auna cierta temperatura, superioral cero absoluto, en que ocurre laliberación de los pares electro-nes-lagunas, el proceso no esunilaterial, esto es: tenemos sola-mente formación de pares.

Lo que ocurre es que en cadainstante tenemos la liberación deelectrones con la formación delagunas, pero también la recom-binación de electrones con el lle-nado de lagunas, en un procesodinámico.

En total tenemos entonces encada instante un promedio de pa-res laguna-electrón formados, quedepende justamente de la tempe-ratura ambiente.

Impurezas

¿Qué ocurre con las propieda-des eléctricas de un material se-miconductor si se aumentan lasimpurezas?

La presencia de determinadosátomos en la estructura cristalinadescripta en el punto anteriorpuede modificar de modo radicalsu comportamiento eléctrico ydar origen a materiales propiospara la fabricación de dispositivoselectrónicos.

Dos son los tipos de impure-zas que se pueden agregar a unmaterial semiconductor: las impu-rezas cuyos átomos poseen 3electrones en la última capa, y lassustancias cuyos átomos tienen 5electrones en su última capa. Elnúmero ideal de 4 es "quebrado",y se produce entonces un dese-quilibrio cuyas consecuencias pa-samos a estudiar.

En el primer caso (3 electro-nes) tenemos el aluminio (Al), elgalio (Ga) y el indio (In).

En el segundo caso (dondehay 5 electrones) tenemos el ar-senio (As), el fósforo (P), y el an-timonio (Sb).


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Impurezas Donantes

Si al fabricar un cristal de ma-terial semiconductor (Silicio oGermanio), introducimos en elproceso pequeñas cantidades desustancias con 5 electrones en laúltima capa (capa de valencia)estas sustancias pasarán a formarparte de su estructura, pero lamanera en que ocurrirán las liga-duras quedará modificada.

En la figura 9 tenemos repre-sentado el átomo de la sustanciadotado de 5 electrones en su últi-ma capa. Este átomo va a conec-tarse a los adyacentes de la sus-tancia semiconductora, porqueprocura completar la capa de va-lencia de modo de tener 8 elec-trones compartidos. El resultadoes que sobra 1 electrón que sevuelve libre.

Vea entonces que este elec-trón se puede volver un portadornegativo de carga, pero con unadiferencia en relación a los porta-dores formados normalmente, osea los intrínsecos: su formaciónno es acompañada por la apari-ción de una laguna.

El resultado es que para cadaátomo de impureza agregado enel semiconductor tenemos unelectrón demás como portador decarga. Hay entonces un exceden-te de cargas negativas en estematerial.

Decimos entonces que en estematerial semiconductor los porta-dores mayoritarios de cargas sonlos electrones. Es un material se-miconductor del tipo N (de nega-tivo).

La cantidad de átomos que

necesitamos usar de impureza enun semiconductor para obtenerun material tipo N no es grande.Tenemos alrededor de 1 partepor millón, pero incluso eso co-rresponde a cantidades que va-rían entre 1015 a 1017 átomos porcentímetro cúbico de material se-miconductor.

No es preciso decir que la re-sistencia de este material quedasensiblemente reducida con la li-beración de más portadores decarga, lo que significa que un se-miconductor del tipo N es mejorconductor que un semiconductorpuro del mismo material (silicio ogermanio).

Impurezas Aceptadoras

Tomemos ahora el mismo ma-terial semiconductor e introduzca-

mos una impureza cuyo átomotenga apenas 3 electrones en sucapa de valencia. Representandoesto de una forma plana, comomuestra la figura 10, vemos queexiste nuevamente la tendenciade compartir las cargas con el finde obtener el octeto (8 electro-nes). Como el átomo de la impu-reza tiene solamente 3 electrones,falta uno para que consiga co-rresponder a todas las ligadurascon los átomos vecinos. Quedaentonces una laguna dentro delmaterial, que corresponde a unportador de carga positivo. Loselectrones que salten de otrospuntos de la estructura hacia estalaguna pueden llenarla, pero enel total tendremos todavía unacantidad mayor de lagunas quede electrones libres.

En este caso también tenemosque, con la formación de la lagu-na no hay formación de un elec-trón libre correspondiente. Loselectrones libres que existen sonportadores intrínsecos de cargaformados por la liberación térmi-ca del material.

En total este material es por lotanto un conductor cuyos porta-dores mayoritarios son lagunas.Decimos que se trata de un semi-conductor del tipo P (de positi-vo).

Velocidad de los Portadores

Si aplicamos una tensión enun material semiconductor del ti-po P y del tipo N, ¿en qué casotendremos mayor velocidad para


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los portadores de carga?Esta pregunta es muy impor-

tante si deseamos construir dispo-sitivos rápidos.

En un dispositivo electrónicoel material semiconductor del ti-po P o del tipo N debe permitirla circulación de corriente eléctri-ca.

Un campo eléctrico se aplicaentonces al material y produceun movimiento de cargas, comomuestra la figura 11.

Las lagunas y los electrones sedesplazan entonces, con predo-minio de uno o de otro, según elmaterial.

El predominio determina tam-bién la velocidad con que sepuede hacer el transporte de car-gas.

De hecho, los electrones libresson mucho más rápidos que laslagunas, lo que significa que unsemiconductor del tipo N respon-de más rapidamente a las varia-ciones del campo en la produc-ción de la corriente que un semi-conductor del tipo P.

Así, para el germanio tenemoslas siguientes movilidades de losportadores de carga, expresadaspor la letra griega µ:

Germanio:electrones libres = 3.900 cm2/V.slagunas = 1.900 cm2/V.s

Silicio:electrones libres = 1.350 cm2/V.slagunas = 480 cm2/Vx.s

Vea entonces que en un mate-rial N tenemos el doble de velo-cidad de portadores de carga de

la que obtenemos en un materialP. Esto, como veremos, va a refle-jarse de modo directo en la velo-cidad de operación de transisto-res del tipo NPN y PNP.

Observe también que estasmagnitudes dependen enorme-mente de la temperatura, los va-lores expresados para una temperatura de 300°K correspon-dientes son aproximadamente a27°C.

Algunas Aclaraciones

¿Qué tiene que ver la super-conductividad con los semicon-ductores? ¿Es la misma cosa?

Como ya indicamos, los lecto-res pueden remitirse a anterioresartículos sobre la superconducti-vidad, pero trataremos tambiénun poco aquí del tema, ya que sehabla cada vez más de las aplica-ciones de los materiales llamadossuperconductores.

Los superconductores, son di-ferentes de los semiconductores,como explicamos a continuación:cuando una sustancia conductoraes enfriada a una temperaturamuy baja, alrededor del cero ab-soluto (-273°C), la agitación delos átomos prácticamente cesa, y

con esto ocurre un cambio en sucomportamiento eléctrico. Losportadores de carga adquierenuna enorme movilidad y desapa-rece prácticamente la resistenciaeléctrica. El material adquiere en-tonces la propiedad de conducirla corriente eléctrica prácticamen-te sin resistencia alguna, sevuelve un superconductor. Lastemperaturas en que ocurre estefenómeno varían de un material aotro, pero normalmente son muybajas.

Lo que se investiga actualmen-te es la producción de materialesque manifiesten estas propieda-des en temperatura ambiente(por encima de 0°C) pues así po-dríamos tener la transmisión deenergía sin pérdidas, la elabora-ción de electroimanes superpo-tentes y muchos otros dispositi-vos importantes para la tecnolo-gía del futuro.

Algunas cerámicas ya mani-fiestan propiedades superconduc-toras a temperaturas relativamen-te altas y recientemente tuvimosnoticias de que accidentalmenteya se habrían producido materia-les superconductores a la tempe-ratura ambiente, pero su aplica-ción en gran escala todavía estáun poco lejos. Al final de estalección damos una tabla con lastemperaturas de transición a lasuperconductividad de algunosmateriales y aleaciones.

"¿Qué tipo de silicio o germa-nio se usa en la fabricación de lossemiconductores?"

El silicio es uno de los ele-mentos más abudantes en la tie-


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rra, pero aparece enla forma de óxidos.La arena y el granitoson ejemplos decompuestos de sili-cio así como los cris-tales de roca.

Sin embargo, elsilicio usado en lafabricación de lossemiconductores esel elemento silicioen su forma metálicapura, de una enormepureza. Esta necesi-dad de una gran pu-reza es lo que exige máquinasdelicadísimas que operan en at-mósferas absolutamente limpiaspara su producción. No es por lotanto cualquier silicio ni cualquiergermanio que usamos para fabri-car dispositivos semiconductores,sino silicio cristalino de enormepureza que se produce de modoriguroso en laboratorio.

Las junturas y los Diodos

En un material semi-conductor del tipo Plos portadores mayori-tarios de cargas son laslagunas, en el sentidode que existen más la-gunas disponibles parala conducción de co-rrientes que electrones.En un material de tipoN, como estudiamos,existen más electroneslibres que lagunas parala conducción de la co-rriente.

¿Qué ocurre si se une de modoíntimo un material del tipo N aun material del tipo P?

Es lo que veremos a continua-ción, recordando que esta unión

íntima forma lo quedenominamos "jun-tura".Podemos tener launión de materialesdiferentes simple-mente "fabricando"el semiconductor,de modo que enuna parte tengamoslas impurezas del ti-po P y en la otrasea difundida la im-pureza del tipo N.En este caso se diceque la juntura está

formada por difusión.Otra posibilidad, mostrada en

la figura 12, consiste en hacer"crecer" el cristal de un tipo (Npor ejemplo) sobre un pedazo dematerial P, en cuyo caso tenemosuna juntura formada "por creci-miento".

Son diversas las técnicas quenos permiten obtener junturas PNy oportunamente serán estudia-das. Lo que importa para la com-presión del funcionamiento de lajuntura PN es que se tenga en

cuenta que existen dosregiones en un mate-rial, de tipos diferentes,separadas por una zo-na común de contacto.

La juntura PN

En la figura 13 tene-mos la representaciónpara una juntura PN.Para entender lo queocurre en un dispositi-vo con esta estructura,imaginemos que ini-


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cialmente tenemos losmateriales P y N separa-dos, como muestra la fi-gura 14.

En el momento enque se unen los dos ma-teriales, en la región dejunturas comienza a ha-ber una recombinaciónde los electrones libres enexceso del material N,donde estas cargas sonportadoras mayoritarias,con las lagunas en excesodel material P, donde es-tas cargas son las porta-doras mayoritarias (figura15).

El resultado es que enesta región del materialtenemos una reducciónde la concentración delos portadores de carga, lo quecorresponde a la aparición decargas especiales a ambos ladosde la juntura.

Esta carga especial significasimplemente que en el material Pexiste una región en que predo-minan cargas N, y en el materialN existe una región en que pre-dominan cargas P.

Esto corresponde a una verda-dera "barrera" parala circulación de lacorriente representa-da por el gráfico dela figura 16.

Llamamos a estabarrera, de modobien apropiado, "ba-rrera de potencial", yla misma impide queocurra el mismo pro-ceso de difusión yrecombinaciión de

las cargas del restante materialsemiconductor.

Como la recombinación de lascargas de los materiales P con lasdel material N corresponde a unacorriente, en cuanto la barreraque se forma impide que prosigael proceso. Decimos que la "altu-ra" de esta barrera de potencial,se debe ajustar de modo de im-pedir la circulación de corriente

en el material semicon-ductor, para equilibrar elproceso.En una estructura PN te-nemos entonces dos re-giones en que existendefinidamente portado-res de carga mayorita-rios P y N, que son losmateriales correspon-dientes, y una región in-termedia, de juntura, enque se manifiesta un fe-nómeno de recombina-ción con la formación deuna barrera de potencial.En la condición de equli-brio —esto es, sin acciónalguna externa de cam-pos—, no hay circulaciónde corriente alguna porel sistema. Eso significa

que no tenemos pasaje de porta-dores de carga de un material ha-cia otro, a través de la barrera.

¿Qué ocurre, sin embargo, si seaplica una tensión externa a estaestructura, de modo de forzar lacirculación de una corriente?

Es lo que veremos a continua-ción.

Polarización de la juntura PN

Inicialmente, va-mos a polarizar lajuntura PN al co-nectar un genera-dor de corrientecontinua, comomuestra la figura17.Como podemospercibir, el polo


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positivo del generadores conectado al trozodel semiconductor deltipo P mientras que elpolo negativo del ge-nerador es conectadoal lado del semicon-ductor del tipo N.

Del lado positivodel material (semicon-ductor P) tendremosentonces la atracciónde los portadores negativos parael lado de la batería, mientrasque las lagunas, que son los por-tadores positivos, serán empuja-dos hacia la región de juntura.Ahora, como en este material P laconcentración de lagunas es ma-yor que la de electrones, el flujode lagunas hacia la juntura esmayor que el flujo de electronespara el polo de la batería.

Del otro lado, tenemos laatracción hacia el polo de la ba-tería de las lagunas mientras quelos electrones libres son empuja-dos hacia la región de la juntura.Como en el material N la concen-tración de portadores negativoses mayor, el flujo de cargas haciala región de la juntura es mayorque el flujo de cargas positivashacia el polo de la batería.

El resultado es que ocurre enla región de la juntura una con-centración de cargas suficiente-mente grande para vencer la ba-rrera de potencial y dar inicio aun proceso de recombinación.Una corriente intensa puede en-tonces circular por el dispositivo,lo que producirá una caída de suresistencia.

Decimos que en estas condi-

ciones, la juntura está polarizadaen el sentido directo y la corrien-te puede circular por el dispositi-vo.

Si ahora invertimos la polari-dad de la batería externa, comomuestra la figura 18…¿qué ocu-rre?

Tendremos nuevamente laatracción de los portadores decarga positivos hacia el polo ne-gativo y de los portadores negati-vos hacia el polo positivo.

En el caso, para la región dela juntura irán ahora los portado-res minoritarios, cuya concenta-ción es pequeña, y no hay posi-bilidad de vencer la barrera depotencial. El resultado es que no

ocurre la recombina-ción de la manera es-perada y ninguna co-rriente puede circularpor el dispositivo. Ma-nifiesta una resistenciaelevada.Decimos, en estas con-diciones, que el dispo-sitivo está polarizadoen el sentido inverso.Vea que, en el caso de

la polarización directa, tenemosun estrechamiento de la regiónen que se encuentra la carga es-pacial, o sea, la juntura, mientrasque en el caso de la polarizacióninversa los portadores mayorita-rios de cargas son alejados, estoprovoca un ensanchamiento de labarrera de potencial.

Diodos Semiconductores

Los dos dispositivos electróni-cos, formados por dos trozos demateriales semiconductores de ti-pos diferentes y unidos de modode tener una región de juntura encomún, se denominan diodos se-miconductores.

Son diodos porque poseendos elementos de conexión, osea, son dispositivos de dos ter-minales y son semiconductoresen vista del material usado ensu confección.

Al lado de los diodos de semi-conductores debemos recordarla existencia de los diodos ter-miónicos, o válvulas diodo quepresentan comportamiento eléc-trico semejante, pero estructuracompletamente diferente y que


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serán estudiados en el futuro.En la figura 19 mostramos di-

ferentes tipos de diodos que seusan en electrónica.

Todos estos diodos son forma-dos por trozos de materiales se-miconductores del tipo P y del ti-po N, con una juntura común.Los diodos puedenser de silicio, ger-manio o selenio, se-gún el material se-miconductor usadoen su fabricación.

La representa-ción usual para eldiodo aparece en lafigura 20.

Vea entoncesque podemos usarel diodo como unaespecie de válvulade retención, basa-dos en las propie-dades de la junturaque estudiamos en el punto ante-rior: cuando lo polarizamos en elsentido directo "abre" y deja pa-sar la corriente con facilidad ypresenta el mínimo de resistencia(figura 21).

Pero cuando lo po-larizamos en el sentidodirecto se "cierra" eimpide la circulaciónde la corriente.

El comportamientoeléctrico de un diodopuede darse medianteuna representacióngráfica que denomina-mos "curva característi-ca". Así, en la figura22 tenemos la curvacaracterística del diodo

semiconductor.Vemos entonces que, para que

un diodo comience a conducircuando está polarizado en el sen-tido directo, o sea, que "abra", es

preciso que se aplique una ten-sión mínima. Esta tensión se usapara vencer la barrera de poten-cial y varía según el material deldiodo.

Para los diodos de germanioesta tensión es del orden de 0,2V,mientras que para los diodos de

silicio esta tensión esdel orden de 0,7V.Es importante obser-var también que enla conducción direc-ta, no importa cuálsea la cantidad de lacorriente que circulepor el diodo, estabarrera estará siem-pre presente. Así, te-nemos siempre unacaída de tensión enel diodo y ésta esdel orden de 0,2 ó0,7V.En un circuito como

el de la figura 23 en que conecta-mos diversos diodos en serie conuna lámpara, si usamos los tiposde silicio, tendremos 0,7V de caí-da en cada uno.

Como veremos en elfuturo, los diodospueden ser usadospara producir peque-ñas caídas de tensiónen los circuitos y deuna manera que noocurre con los resisto-res: independiente-mente con buenaaproximación de la in-tensidad de la corrien-te.Otra característica im-portante de los diodos


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puede observarse enla curva y es la quecorresponde a laruptura inversa.

Llamamos tensiónde ruptura inversa(VRRM) a la tensiónque, aplicada en eldiodo en el sentidode polarizarlo inversamente, pro-voca la ruptura de la barrea depotencial, al aplicarla mudandocompletamente las característicasdel diodo: el diodo, hasta enton-ces cerrado a la circulación de lacorriente, abre.

Esta tensión no debe ser apli-cada en diodos comunes, pues laruptura de la barrera es acompa-ñada de la destrucción del com-ponente. Esto significa que nodebemos de modo alguno utilizarlos diodos en circuitos que esténsujetos a tensiones inversas ma-yores que el valor que causa laruptura inversa a riesgo de "que-mar" el componente.

Tenemos finalmente que ob-servar en esta lección la pequeñacorriente que puede circular enlos diodos cuando son polariza-dos en el sentido inverso y quedepende de dos factores: luz ycalor.

De hecho, estando la tempera-tura ambiente que corresponde a273 grados por encima del ceroabsoluto, no reina en los átomosdel material semiconductor unacompleta paz. Los mismos se agi-tan y constantemente son libera-dos portadores de carga tanto po-sitivos como negativos en la re-gión de la juntura. Estos portado-res se mueven y son responsa-

bles por una pequeña corrienteque circula incluso cuando eldiodo está polarizado en el senti-do inverso. Esta corriente es de-nominada "de fuga" y aumentacon la temperatura de una formaperfectamente previsible.

La fuga de los diodos puedehasta ser admitida en algunos ca-sos, siempre que no sea grande,y en otros podemos hasta apro-vecharla como base de proyectos:de hecho, como esta corrientedepende de manera previsible dela temperatura, podemos usar undiodo como sensor de temperatu-ra de gran precisión, como mues-tra la figura 24.

Si la juntura recibe ilumina-ción directa, los fotones de luzpueden liberar portadores de car-ga, permitiendo así la circulaciónde pequeñas corrientes por lajuntura; incluso cuando el diodose encuentra polarizado en el

sentido inverso.Podemos entoncesusar los diodos co-mo fotosensores. Elsilicio, por ejemplo,puede ser usado enla construcción defotodiodos capacesde modificar su re-

sistencia en el sentido inversocon radiaciones infrarrojas y visi-bles, lo que significa la posibili-dad de aplicarlos en alarmas, lec-turas de tarjetas perforadas y có-digos de barras, detectores de in-cendios y en muchos otros casos.


"¿Qué es polarizar?"Realmente este término apare-

ce con frecuencia en la literaturaelectrónica, y merece ser bien explicado: polarizar es aplicartensiones determinadas en lospuntos de un circuito de modode obtener las corrientes que lle-ven a los efectos deseados. Paraque una lámpara encienda debe-mos polarizarla de modo conve-niente, o sea, debemos aplicaruna tensión positiva en uno desus terminales y conectar el otroa tierra o a un punto de tensiónnegativa.

"¿Por qué los diodos semicon-ductores son llamados tambiéndiodos de estado sólido?"

Esta denominación se debe alhecho que al lado de estos dio-dos (que tienen por base materia-les semiconductores que son sóli-dos) existen las válvulas diodo en


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que la conducción de los porta-dores de carga se hace en el va-cío o bien, en gases. Estos dio-dos no son dispositivos de esta-do sólido, evidentemente, y selos llama diodos al vacío o biendiodos gaseosos, según el tipo.

¿Cómo podemos usar las pro-piedades de las junturas semi-conductoras?

La posibilidad de conducir lacorriente en un sentido único y,en algunos casos, en respuestaa las demandas e inversiones auna velocidad muy grande, ha-ce que los diodos semiconduc-tores tengan una infinidad deaplicaciones en electrónica.

Encontramos los diodos enradios, fuentes de alimentación,circuitos lógicos, televisores, mi-crocomputadoras y en todos loscasos en que sus propiedadespuedan ser necesarias. Entenderbien cómo se comporta cada ti-po de diodo es muy importantepara su futura aplicación en unproyecto.

Diodos de Señal

La denominación “diodo deseñal”, o bien “diodo de uso ge-neral”, se da a los diodos de pe-queño porte destinados a traba-jar con corrientes pequeñas (típi-camente hasta 100mA) y tensio-nes que no superan los 100 volt.

En la figura 25 tenemos algu-nos diodos de uso general o deseñal.

Son diversas las técnicas quenos llevan a este tipo de compo-

nente. Podemos comenzar conel diodo de “contacto de pun-to” cuya estructura se muestraen la figura 26.En este diodo existe un trozo

de material semiconductor deltipo N que puede ser de silicioo germanio, en el cual se difun-de, a partir de un contacto fino,una región P que así forma lajuntura. El contacto fino es unalambre denominado “bigote“bigotede gato”de gato”. El conjunto está encerrado en

una envoltura que puede ser devidrio, en algunos casos pintadocon pintura opaca para evitar laacción de la luz externa sobrela juntura.

Para identificar los terminales(ánodo y cátodo) es común lacolocación de una raya (figura27).

Las curvas características paralos diodos de silicio y germanioaparecen en la figura 28.

Observe cómo el diodo degermanio comienza a conduciren el sentido directo con unatensión menor que el silicio.Por este motivo, en aplicaciones


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que trabajan con señales muydébiles, como la detección deseñales de radio, el diodo degermanio es preferible al de sili-cio.

En algunos casos los diodosde señal presentan característi-cas que permiten su operaciónen alta velocidad.

Estos diodos pueden enton-ces pasar de la conducción a lano conducción, y viceversa, entiempos cortísimos.

Tales diodos, usados en con-mutación reciben el nombre, eneste caso, de “diodos de con“diodos de con--mutación rápida”mutación rápida” o simple-mente “diodos de conmuta“diodos de conmuta--ción”ción”.

Se pueden usar otras técnicasen la construcción de diodos deseñal. En la figura 29 tenemos unejemplo de esto. La juntura seobtiene por el crecimiento delmaterial P sobre un trozo de ma-terial N.

Según la técnica empleada enla construcción, el diodo presen-tará propiedades específicas.

Los diodos de señal, así comolos demás, son identificados por

números de código. Para los tipos americanos, los

diodos comienzan con “1N”. Te-nemos entonces tipos como los:1N34, 1N60, 1N4148, 1N914, ETC.En el código europeo de semi-conductores los diodos de germa-nio comienzan con la letra “A” u“O”, y la letra siguiente; si es una“A” indica que se trata de “usogeneral”. Los de silicio comienzancon la letra “B” y la siguiente, sies una “A”, también indica “usogeneral”.

Tenemos entonces:

GerGer manio = AA119, 0A70,manio = AA119, 0A70,0A85, AAZ15, etc.0A85, AAZ15, etc.

Silicio= BA100, BA216,Silicio= BA100, BA216,BAX16, etc.BAX16, etc.

Estos códigos normalmentesólo traen informaciones quenos permiten saber si el diodoes de silicio o germanio y si esde uso general o no. Para másinformaciones, que son necesa-rias, el técnico debe consultaruna hoja de características.Estas características se refieren

entonces a los parámetros má-ximos (corrientes, tensiones,etc.) que el diodo puede sopor-

tar, además de las condiciones re-comendadas para su uso. En elpunto siguiente veremos cómointerpretar las características paralos diodos de uso general:

Las Características de los Diodos

Dos son las informacionesprincipales que debemos tenersobre un diodo de uso generalpara las aplicaciones más comu-nes.

Analizando la curva de la figu-ra 30 vemos dos puntos impora-tantes:

El primero se refiere a la ten-sión en que la juntura “se rom-pe” en el sentido inverso, y porlo tanto, el diodo pasa a condu-cir corriente. Normalmente, cuan-do esto pasa en un diodo co-mún, el mismo “se quema”. Nopodemos pasar de esta tensiónen el sentido inverso o corremosel riesgo de dañar el diodo. Estatensión puede ser indicada porlos fabricantes de diversas for-mas:

Una de ellas es como TeniónInversa de Pico, o en inglés:


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Peak Inverse Voltage (PIV). Siaplicamos una tensión sinusoidalen un diodo, como muestra la fi-gura 31, el valor “PIV” es corres-pondiente al pico.

Es, teniendo en cuenta estatensión, que cuando en la red de220V, al recibir pues esta tensión,la especificamos para una “PIV”de por lo menos 320 volt.

Esto es necesario porque, co-mo vimos, para una tensión de220V rms el valor de pico estaráalrededor de 310 volt. Un diodo,para funcionar de modo seguro,debe tener por lo menos un pocomás que la tensión inversa espe-cificada.

Otra manera de especificar es-te máximo inverso es comoVRRM, lo que en inglés corres-ponde a la abreviatura de RepetiRepeti --

tive Peak Revertive Peak Rever e Ve Voltageoltage. Setrata del máximo calor instantá-neo que puede tener la tensiónaplicada en el sentido inverso, in-cluido eventuales transitorios,siempre que éstos se repitan.

En la figura 32 tenemos unejemplo en que aparece un picode transitorio repetitivo.

Otra forma más simple es laespecificación VR, o tensión in-versa (del inglés Reverse Volta-ge), que corresponde al valorcontinuo máximo que se puedeaplicar al diodo en el sentido in-verso para la tensión en el diodo.

En todos los casos la unidades el volt (V) y no debe ser supe-rada en las condiciones de fun-cionamiento del componente.

Vea que la especificación debetener en cuenta la presencia o no

de transistorios, el funcionamien-to en corriente alternada, etc.

De cualquier forma, para undeterminado tipo, todas estasmagnitudes tendrán valores bienpróximos, lo que significa que elconocimento de una nos da elorden de magnitud de las demás.

La segunda especificación im-portante es la corriente máximaque un diodo puede conducircuando está polarizado en el sen-tido directo. También tenemos di-versas formas de hacer esta espe-cificación (figura 33).

Una de ellas es como IF (F de“forward” en inglés = directa) ocorriente directa. Esta indica lacorriente máxima, que puede cir-cular normalmente por el diodoen términos continuos.

Para el caso de corrientes va-riables, se puede encontrar la es-pecificación IFV que correspondeal valor medio de la corrientemáxima que puede circular en elsentido directo. Para el valor depico máximo tenemos la especifi-cación IFRM, que incluye lostransistores repetitivos.

Vea que el valor IFRM, paraun diodo, es normalmente bas-tante mayor que el IF.

En un diodo que IF máximosea de 35 volt, por ejemplo, elvalor correspondiente IFRM es de100 volt.

¿Por qué debemos tener encuenta los valores diversos en unproyecto?

Imagine un circuito como elde la figura 34.

En el momento en que esta-blecemos la alimentación, el ca-


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pacitor está totalmente descarga-do. En estas condiciones el capa-citor representa una resistenciamuy baja que drena una corrienteelevada, mucho mayor que lanormal, obtenida después de sucarga cuando apenas el resistores recorrido por corriente.

Así, tenemos que considerar lacorriente máxima que circula enel momento de la conexión yque es un valor instantáneo, dela corriente media que circulacuando el circuito se estabiliza(que es valor medio).

Otras informaciones que pue-den aparecer en los catálogos delos fabricantes de diodos, que tie-nen importancia en función de laaplicación son:

a) Tensión directa dada porVF (FD “FORWARD”) que nor-malmente es indicada para unacorriente dada (IF). Cuando pola-rizamos el diodo en el sentido di-recto, como vimos, hay una caií-da de tensión en la juntura quedepende de su naturaleza. Estacaída también es función de laintensidad de la corriente y pue-de variar entre fracción de volthasta 1 o más volt.

Así, el diodo 1N4148 tiene unaVF de 100V y 10 mA de corrientedirecta (IF).

b) Capacidad de las juntu-ras. Esta especificación es impor-tante en los casos en que utiliza-mos los diodos en conmutaciónrápida.

La sigla usada es Cd y el valornormalmente esta en picofarad(pF)

Diodos Rectificadores

Estos son diodos destinados atrabajar con corrientes intensas, yse los encuentra normalmente enfuentes de alimentación su juntu-

ra debe tener una gran superficieen el sentido de ayudar al pasajede corrientes fuertes y sus cubier-tas pueden tener incluso recursospara ayudar a la disipación delcalor general.

En la figura 35 tenemos algu-nos diodos rectificadores tiípicos .

Las tensiones inversas máxi-mas de estos diodos pueden va-riar desde algunas decenas devolt hasta centenares o inclusomillares de volt.

Para las tensiones y corrientesde estos diodos encontramos lasmismas especificaciones de losdiodos de señal.

Como estos diodos se destinantípicamente a rectificación, congrandes superficies de junturas,su operación es lenta lo que im-pide su empleo en corrientes dealta frecuencia.

Existen mientras tanto diodosespeciales para rectificación cuyaconstrucción interna permite unamayor rapidez de pasaje del esta-do de no conducción para plenaconducción y viceversa. Estos sondiodos “rápidos” o “ de alta“rápidos” o “ de altavelocidad”.velocidad”.

Para estos diodos también te-nemos dos nomenclaturas bási-cas. Los tipos noteamericanos co-mienzan con “1N”, como porejemplo los de la conocida serie“1N4000”.

Esta serie esta formada porsiete cuyas corrientes máximasdirectas son de 1A, pero que po-seen tensiones que varian de 50V(VRRM) hasta 1.000V que corres-ponden de 25 a 500V de tensióneficaz máxima (Vef), conformemuestra la tabla de abajo. Los ti-


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pos europeos comienzan con laletra “B”, ya que para la rectifica-ción los diodos de silicio son me-jores que los de germania, así to-dos los tipos normales para co-rrientes elevadas están hechos deeste material. La letra siguiente esla “Y” que indica la función derectificar; tenemos entonces comoejemplo los siguientes tipos:BY127, BY126, BY100, BYX55,etc. En este último tipo, la “X” in-dica “alta potencia”, ya que setrata de un diodo de gran co-rriente.

En Resumen, podemosdecir que:

* Existen muchos tipos de dio-dos que se diferencian tanto enla construcción como en la apli-cación.

* Los diodos de señal son dio-dos de pequeñas corrientes y al-tas velocidades en algunos casos.

* Los diodos son especificadospor dos magnitudes máximas:

* La corriente máxima quepuede circular en sentido directo;

* La tensión aplicada que sepuede aplicar en el sentido inverso.

* Los diodos rectificadoresoperan con corrientes elevadas.

* Los diodos rectificadores sonnormalmente de silicio.

* Los tipos americanos co-

mienzan con la indicación “1N”; * Los tipos europeos de ger-

manio comienzan con “A” y losde silicio con “B”.


¿Qué signica “señal”?Las tensiones alternas, como

por ejemplo la que correspondea una señal de audio, una señalde radio, de pequeña intensidad,o incluso las tensiones que co-rresponden a voces o a sonidoscomplejos que poseen una fre-cuencia fija así como una intensi-dad media que puede ser deter-minada en un intervalo de tiem-po, son consideradas señales. Así,es común que hablemos de seña-les de audio, señales de radio, se-gún su frecuencia al designar lastensiones de pequeña intensidadpero que eventualmente varía enel tiempo, porque transporta unainformación, que aparece en loscircuitos electrónicos.

¿Qué son “transitorios”?La tensión de la red de ali-

mentación, por ejemplo, es alter-na con forma de onda sinusoidal,como muestra la figura 36.

Sin embargo, se pueden intro-ducir disturbios en la red cuandoconectamos un motor, o inclusodebido a la descarga eléctrica deun rayo. En estas condicionespueden surgir “picos” instantá-neos o sea, pulsos de corta dura-ción pero que tienen valores mu-cho mayores que la tensión de lapropia red, como muestra la figu-ra 37.

Muchos aparatos poseen pro-tecciones contra estos pulsos, pe-ro en los casos en que no es así,se pueden dañar componentes.Las microcomputadoras y otrosaparatos delicados puedan resul-tar con componentes quemadospor un pulso de éstos, que en al-gunos casos pueden superar fácil-mente los 1.000V.

Los dispositivos más robustos,como lámparas, motores, etc., nosufren tanto, pues la duración delpulso es tan pequeña que laenergía que lleva no causaria da-ño por sobrecarga. ✪


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