Diodos: unión pn, tipos, construcción y funcionamiento

¿Qué es el diodo?

En general, todos los dispositivos electrónicos necesitan una fuente de alimentación de CC, pero es imposible generar energía de CC, por lo que necesitamos una alternativa para obtener algo de energía de CC, por lo que el uso de diodos entra en escena para convertir la energía de CA en CC. Un diodo es un pequeño componente electrónico que se utiliza en casi todos los circuitos electrónicos para permitir el flujo de corriente en una sola dirección ( dispositivo unidireccional ). Podemos decir que el uso de materiales semiconductores para construir los componentes electrónicos se inició con diodos. Antes de la invención del diodo existían los tubos de vacío, donde las aplicaciones de ambos dispositivos son similares pero el tamaño que ocupa el tubo de vacío será mucho mayor que el de los diodos. La construcción de los tubos de vacío es un poco compleja y son difíciles de mantener en comparación con los diodos semiconductores. Pocas aplicaciones de los diodos son la rectificación, la amplificación, el interruptor electrónico, la conversión de energía eléctrica en energía luminosa y la energía luminosa en energía eléctrica.

Historia del diodo:

En el año 1940 en Bell Labs, Russell Ohl estaba trabajando con un cristal de silicio para descubrir sus propiedades. Un día, accidentalmente, cuando el cristal de silicio que tiene una grieta fue expuesto a la luz solar, encontró el flujo de corriente a través del cristal y que luego se denominó diodo, que fue el comienzo de la era de los semiconductores.

Construcción de diodo:

Los materiales sólidos se clasifican generalmente en tres tipos, a saber , conductores, aislantes y semiconductores. Los conductores tienen un número máximo de electrones libres, los aislantes tienen un número mínimo de electrones libres (insignificante, por lo que el flujo de corriente no es posible en absoluto) mientras que los semiconductores pueden ser conductores o aislantes dependiendo del potencial que se les aplique. Los semiconductores de uso general son el silicio y el germanio. Se prefiere el silicio porque está disponible en abundancia en la tierra y proporciona un mejor rango térmico.

Los semiconductores se clasifican además en dos tipos : semiconductores intrínsecos y extrínsecos.

Semiconductores intrínsecos:

Estos también se denominan semiconductores puros donde los portadores de carga (electrones y huecos) están en igual cantidad a temperatura ambiente. Por tanto, la conducción de corriente tiene lugar tanto por huecos como por electrones por igual.

Semiconductores extrínsecos:

Para aumentar el número de huecos o electrones en un material, optamos por semiconductores extrínsecos donde se agregan impurezas (distintas del silicio y el germanio o simplemente materiales trivalentes o pentavalentes) al silicio. Este proceso de agregar impurezas a los semiconductores puros se denomina Dopaje.

Formación de semiconductores de tipo P y N:

Semiconductor tipo N:

Si se agregan elementos pentavalentes (el número de electrones de valencia es cinco) al Si o Ge, entonces hay electrones libres disponibles. Como los electrones (portadores de carga negativa) son más en número estos se denominan como de tipo N semiconductor . En el tipo N, los electrones semiconductores son portadores de carga mayoritarios y los huecos son portadores de carga minoritarios.

Pocos elementos pentavalentes son fósforo, arsénico, antimonio y bismuto. Dado que estos tienen un exceso de electrones de cenefa y están listos para emparejarse con la partícula externa cargada positivamente, estos elementos se denominan Donantes .

Semiconductor tipo P

De manera similar, si se agregan elementos trivalentes como boro, aluminio, indio y galio a Si o Ge, se crea un agujero porque varios electrones de valencia en él son tres. Dado que un agujero está listo para aceptar un electrón y emparejarse, se le llama Aceptadores . Como el número de agujeros son el exceso de material recién formado se denominan como los semiconductores de tipo P . En los semiconductores de tipo P, los agujeros son portadores de carga mayoritarios y los electrones son portadores de carga minoritarios.

Diodo de unión PN:

Ahora, si unimos los dos tipos de semiconductores tipo P y tipo N, entonces se forma un nuevo dispositivo llamado diodo de unión PN. Dado que se forma una unión entre un material tipo P y tipo N, se denomina unión PN.

La palabra diodo se puede explicar como 'Di' significa dos y 'oda' se obtiene del electrodo. Como el componente recién formado puede tener dos terminales o electrodos (uno conectado al tipo P y el otro al tipo N), se denomina diodo o diodo de unión PN o diodo semiconductor.

El terminal conectado al material de tipo P se llama Ánodo y el terminal conectado al material de tipo N se llama Cátodo .

La representación simbólica del diodo es la siguiente.

La flecha indica el flujo de corriente a través de él cuando el diodo está en modo polarizado hacia adelante, el guión o el bloque en la punta de la flecha indica el bloqueo de la corriente desde la dirección opuesta.

Teoría de la unión PN:

Hemos visto cómo se fabrica un diodo con semiconductores P y N, pero necesitamos saber qué sucede dentro de él para formar una propiedad única de permitir la corriente en una sola dirección y qué sucede en el punto exacto de contacto inicialmente en su unión.

Formación de la unión:

Inicialmente, cuando ambos materiales se unen (sin ningún voltaje externo aplicado), el exceso de electrones en el tipo N y el exceso de agujeros en el tipo P se atraerán entre sí y se recombinarán donde la formación de iones inmóviles (ion donante e ion aceptor) tiene lugar como se muestra en la imagen de abajo. Estos iones inmóviles resisten el flujo de electrones o agujeros a través de ellos, lo que ahora actúa como una barrera entre los dos materiales (la formación de una barrera significa que los iones inmóviles se difunden en las regiones P y N). La barrera que ahora se forma se llama región de agotamiento . El ancho de la región de agotamiento en este caso depende de la concentración de dopaje en los materiales.

Si la concentración de dopaje es igual en ambos materiales, entonces los iones inmóviles se difunden en los materiales P y N por igual.

¿Qué pasa si la concentración de dopaje difiere entre sí?

Bueno, si el dopaje difiere, el ancho de la región de agotamiento también es diferente. Su difusión es más en la región ligeramente dopada y menos en la región fuertemente dopada .

Ahora veamos el comportamiento del diodo cuando se aplica el voltaje adecuado.

Diodo en polarización directa

Hay varios diodos cuya construcción es similar pero el tipo de material utilizado es diferente. Por ejemplo, si consideramos un diodo emisor de luz, está hecho de materiales de Aluminio, Galio y Arseniuro que cuando se excitan liberan energía en forma de luz. De manera similar, se considera la variación en las propiedades del diodo, como la capacitancia interna, el voltaje de umbral, etc. y se diseña un diodo en particular en base a ellos.

Aquí hemos explicado varios tipos de diodos con su funcionamiento, símbolo y aplicaciones:

• diodo Zener
• LED
• Diodo láser
• Fotodiodo
• Diodo varactor
• Diodo Schottky
• Diodo de túnel
• Diodo PIN, etc.

Veamos brevemente el principio de funcionamiento y la construcción de estos dispositivos.

Diodo Zener:

Las regiones P y N de este diodo están fuertemente dopadas, de modo que la región de agotamiento es muy estrecha. A diferencia de un diodo normal, su voltaje de ruptura es muy bajo, cuando el voltaje inverso es mayor o igual que el voltaje de ruptura, la región de agotamiento desaparece y un voltaje constante pasa a través del diodo incluso si el voltaje inverso aumenta. Por lo tanto, el diodo se utiliza para regular el voltaje y mantener un voltaje de salida constante cuando está polarizado correctamente. Aquí hay un ejemplo de limitación de voltaje usando Zener.

La avería en el diodo Zener se denomina avería zener . Significa que cuando se aplica el voltaje inverso al diodo Zener, se desarrolla un fuerte campo eléctrico en la unión que es suficiente para romper los enlaces covalentes dentro de la unión y provoca un gran flujo de corriente a través. La avería del Zener se produce a voltajes muy bajos en comparación con la avería por avalancha.

Hay otro tipo de avería denominada avería por avalancha que generalmente se observa en el diodo normal y que requiere una gran cantidad de voltaje inverso para romper la unión. Su principio de funcionamiento es cuando el diodo tiene polarización inversa, pequeñas corrientes de fuga pasan a través del diodo, cuando el voltaje inverso aumenta aún más, la corriente de fuga también aumenta, lo que es lo suficientemente rápido como para romper algunos enlaces covalentes dentro de la unión, estos nuevos portadores de carga se descomponen aún más. los enlaces covalentes restantes causan enormes corrientes de fuga que pueden dañar el diodo para siempre.

Diodo emisor de luz (LED):

Su construcción es similar a un diodo simple pero se utilizan varias combinaciones de semiconductores para generar diferentes colores. Se trabaja en el modo de polarización directa. Cuando se produce la recombinación del agujero de electrones, se libera un fotón resultante que emite luz, si el voltaje directo aumenta aún más, se liberarán más fotones y la intensidad de la luz también aumenta, pero el voltaje no debe exceder su valor umbral, de lo contrario, el LED se dañará

Para generar diferentes colores, las combinaciones se utilizan AlGaAs (Arseniuro de Aluminio Galio) - rojo e infrarrojo, GaP (Fosfuro de Galio) - amarillo y verde, InGaN (Nitruro de Indio Galio) - LED azul y ultravioleta, etc. Verifique un circuito LED simple aquí.

Para un LED IR podemos ver su luz a través de una cámara.

Diodo láser:

LASER son las siglas de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación). Una unión PN está formada por dos capas de arseniuro de galio dopado donde se aplica un recubrimiento altamente reflectante en un extremo de la unión y un recubrimiento reflectante parcial en el otro extremo. Cuando el diodo tiene polarización directa similar al LED, libera fotones, estos golpean a otros átomos de modo que los fotones se liberarán excesivamente, cuando un fotón golpea el revestimiento reflectante y golpea la unión nuevamente, se liberan más fotones, este proceso se repite y un haz de alta intensidad de luz se libera en una sola dirección. El diodo láser necesita un circuito de controlador para funcionar correctamente.

La representación simbólica de un diodo LÁSER es similar a la del LED.

Diodo de foto:

En un fotodiodo, la corriente que lo atraviesa depende de la energía luminosa aplicada en la unión PN. Se opera en polarización inversa. Como se discutió anteriormente, una pequeña corriente de fuga fluye a través de un diodo cuando tiene polarización inversa, lo que aquí se denomina corriente oscura . Como la corriente se debe a la falta de luz (oscuridad) se le llama así. Este diodo está construido de tal manera que cuando la luz incide en la unión es suficiente para romper los pares de huecos de electrones y generar electrones, lo que aumenta la corriente de fuga inversa. Aquí puede comprobar el funcionamiento del fotodiodo con LED IR.

Diodo varactor:

También se le llama diodo Varicap (condensador variable). Se opera en el modo de polarización inversa. La definición general de una separación de condensador de placa conductora con un aislante o un dieléctrico, cuando un diodo normal tiene polarización inversa, el ancho de la región de agotamiento aumenta, ya que la región de agotamiento representa un aislante o un dieléctrico, ahora puede actuar como capacitor. Con la variación del voltaje inverso, la separación de las regiones P y N varía, lo que hace que el diodo funcione como condensador variable.

Dado que la capacitancia aumenta con la disminución de la distancia entre las placas, el voltaje inverso grande significa la capacitancia baja y viceversa.

Diodo Schottky:

El semiconductor de tipo N se une al metal (oro, plata) de manera que existen electrones de alto nivel de energía en el diodo, estos se denominan portadores calientes, por lo que este diodo también se denomina diodo portador caliente . No tiene portadores minoritarios y no existe una región de agotamiento, sino que existe una unión de semiconductores de metal, cuando este diodo está polarizado hacia adelante, actúa como conductor, pero la carga tiene altos niveles de energía que son útiles en la conmutación rápida, especialmente en circuitos digitales, estos también son utilizado en aplicaciones de microondas. Compruebe el diodo Schottky en acción aquí.

Diodo de túnel:

Las regiones P y N en este diodo están fuertemente dopadas, por lo que la existencia de un agotamiento es muy limitada. Presenta una región de resistencia negativa que se puede utilizar como oscilador y amplificadores de microondas. Cuando este diodo tiene polarización directa en primer lugar, dado que la región de agotamiento es estrecha, el túnel de electrones a través de ella, la corriente aumenta rápidamente con un pequeño cambio de voltaje. Cuando el voltaje aumenta aún más, debido al exceso de electrones en la unión, el ancho de la región de agotamiento comienza a aumentar provocando el bloqueo de la corriente directa (donde se forma la región de resistencia negativa) cuando el voltaje directo aumenta aún más, actúa como un diodo normal.

Diodo PIN:

En este diodo, las regiones P y N están separadas por un semiconductor intrínseco. Cuando el diodo tiene polarización inversa, actúa como un capacitor de valor constante. En condición de polarización directa, actúa como una resistencia variable controlada por la corriente. Se utiliza en aplicaciones de microondas que deben controlarse mediante voltaje CC.

Su representación simbólica es similar a un diodo PN normal.

Aplicaciones de diodos:

• Fuente de alimentación regulada: Prácticamente es imposible generar voltaje DC, el único tipo de fuente disponible es voltaje AC. Dado que los diodos son dispositivos unidireccionales, se pueden usar para convertir voltaje CA en CC pulsante y con secciones de filtrado adicionales (utilizando condensadores e inductores) se puede obtener un voltaje CC aproximado.

• Circuitos de sintonizador: en los sistemas de comunicación en el extremo del receptor, dado que la antena recibe todas las frecuencias de radio disponibles en el espacio, es necesario seleccionar una frecuencia deseada. Por lo tanto, se utilizan circuitos de sintonizador que no son más que el circuito con condensadores e inductores variables. En este caso se puede utilizar un diodo varactor.

• Televisores, semáforos, tableros de visualización: para mostrar imágenes en televisores o en tableros de visualización se utilizan LED. Dado que el LED consume muy menos energía, se usa ampliamente en sistemas de iluminación como bombillas LED.

• Reguladores de voltaje: Como el diodo Zener tiene un voltaje de ruptura muy bajo, puede usarse como regulador de voltaje cuando está polarizado en reversa.

• Detectores en sistemas de comunicaciones: un detector bien conocido que utiliza diodos es un detector de envolvente que se utiliza para detectar los picos de la señal modulada.