DIODO SEMICONDUCTOR

Introducción a los diodos y diodo ideal.

Las décadas que siguieron a la introducción del transistor en los años cuarenta han atestiguado un cambio sumamente drástico en la industria electrónica. La miniaturización que ha resultado nos maravilla cuando consideramos sus límites. En la actualidad se encuentran sistemas completos en una oblea miles de veces menor que el más sencillo elemento de las primeras redes. Las ventajas asociadas con los sistemas semiconductores en comparación con las redes con tubos de los años anteriores son , en su mayor parte, obvias: más pequeños y ligeros, no requieren calentamiento ni se producen pérdidas térmicas (lo que sí sucede en el caso de los tubos), una construcción más resistente y no necesitan un periodo de calentamiento.
La miniaturización de los últimos años ha producido sistemas semiconductores tan pequeños que el propósito principal de su encapsulado es proporcionar simplemente algunos medios para el manejo del dispositivo y para asegurar que las conexiones permanezcan fijas a la oblea del semiconductor. Tres factores limitan en apariencia los límites de la miniaturización: la calidad del propio material semiconductor, la técnica del diseño de la red y los límites del equipo de manufactura y procesamiento.
El primer dispositivo electrónico que se presentará se denomina diodo. Es el más sencillo de los dispositivos semiconductores pero desempeña un papel vital en los sistemas electrónicos, con sus características que se asemejan en gran medida a las de un sencillo interruptor. Se encontrará en una amplia gama de aplicaciones, que se extienden desde las simples hasta las sumamente complejas. Aparte de los detalles de su construcción y características, los datos y gráficas muy importantes que se encontrarán en las hojas de especificaciones también se estudiarán para asegurar el entendimiento de la terminología empleada y para poner de manifiesto la abundancia de información de la que por lo general se dispone y que proviene de los fabricantes.
Antes de examinar la construcción y características de un dispositivo real, consideremos primero un dispositivo ideal, para proporcionar una base comparativa. El diodo ideal es un dispositivo de dos terminales que tiene el símbolo y las características que se muestran en la figura 1.1a y b, respectivamente.

(a)

(b)

Figura 1.1 Diodo ideal: (a)símbolo; (b) característica.

En forma ideal, un diodo conducirá corriente en la dirección definida por la flecha en el símbolo y actuará como un circuito abierto para cualquier intento de establecer corriente en la dirección opuesta. En esencia:
Las características de un diodo ideal son las de un interruptor que puede conducir corriente en una sola dirección.

En la descripción de los elementos que sigue, un aspecto muy importante es la definición de los símbolos literales, las polaridades de voltaje y las direcciones de corriente. Si la polaridad del voltaje aplicado es consistente con la que se muestra en la figura 1.1.a, la parte de las características que se consideran en la figura 1.1.b, se encuentra a la derecha del eje vertical. Si se aplica un voltaje inverso, las características a la izquierda son pertinentes. En el caso de que la corriente a través del diodo tenga la dirección que se indica en la figura 1.1.a, la parte de las características que se considerará se encuentra por encima del eje horizontal, en tanto que invertir la dirección requerirá el empleo de las características por debajo del eje.
Uno de los parámetros importantes para el diodo es la resistencia en el punto o región de operación. Si consideramos la región definida por la dirección de ID y la polaridad de VD en la figura 1.1.a (cuadrante superior derecho de la figura 1.1.b), encontraremos que el valor de la resistencia directa RF, de acuerdo a como se define con la ley de Ohm es

(corto circuito)

donde VF es el voltaje de polarización directo a través del diodo e IF es la corriente en sentido directo a través del diodo.
El diodo ideal, por consiguiente, es un corto circuito para la región de conducción.
Si consideramos la región del potencial aplicado negativamente (tercer cuadrante) de la figura 1.1.b,

(circuito abierto)

donde VR es el voltaje de polarización inverso a través del diodo e IR es la corriente inversa en el diodo.
El diodo ideal, en consecuencia, es un circuito abierto en la región en la que no hay conducción.

En síntesis, se aplican las condiciones que se describen en la figura 1.2.

Figura 1.2 Estados (a) de conducción y (b) de no conducción del diodo ideal.

En general, es relativamente sencillo determinar si un diodo se encuentra en la región de conducción o en la de no conducción observando tan solo la dirección de la corriente ID establecida por el voltaje aplicado. Para el flujo convencional (opuesto al de los electrones), si la corriente resultante en el diodo tiene la misma dirección que la de la flecha del mismo elemento, éste opera en la región de conducción. Esto se representa en la figura 1.3a. Si la corriente resultante tiene la dirección opuesta, como se muestra en la figura 1.3b, el circuito abierto equivalente es el apropiado.

Figura 1.3 (a) Estado de conducción y (b) de no conducción del diodo ideal determinados por la dirección de corriente de la red aplicada.

Como se indicó con anterioridad, el propósito principal de esta sección es el de presentar las características de un dispositivo ideal para compararlas con las de las variedades comerciales.

1.2 Materiales semiconductores tipo N y tipo P.

Configuración Electrónica de los elementos Semiconductores:

Elemento _electrones	1S	2S 2P	3S 3P 3d	4S 4P 4d 4f	5S 5P
Boro _____ B __ 5	2	2 _ 1
Carbono __ C __ 6	2	2 _ 2
Aluminio __ Al __13	2	2 _ 6	2 _ 1
Silicio ____ Si __ 14	2	2 _ 6	2 _ 2
Fósforo ___ P __15	2	2 _ 6	2 _ 3
Galio ____ Ga __31	2	2 _ 6	2 _ 6 _ 10	2 _ 1
Germanio__Ge __32	2	2 _ 6	2 _ 6 _ 10	2 _ 2
Arsénico __As __33	2	2 _ 6	2 _ 6 _ 10	2 _ 3
Indio _____In __ 49	2	2 _ 6	2 _ 6 _ 10	2 _ 6 _ 10	2 _ 1
Estaño ____Sn__ 50	2	2 _ 6	2 _ 6 _ 10	2 _ 6 _ 10	2 _ 2
Antimonio__Sb_ 51	2	2 _ 6	2 _ 6 _ 10	2 _ 6 _ 10	2 _ 3
Electrones por Nivel (2 )	2	8	18	32

Enlace covalente: En este tipo de enlace los electrones se comparten, pero no se transfieren. Un enlace covalente consiste en un par de electrones (de valencia) compartidos por dos átomos.
El método más sencillo para liberar los electrones de valencia ligados consiste en calentar e cristal. Los átomos efectúan oscilaciones cada vez más intensas que tienden a romper los enlaces y liberar así los electrones. Cuanto mayor sea la temperatura de un semiconductor, mejor podrá conducir.

Material Intrínseco

Cristal de Silicio

Material Intrínseco Tipo N

Cristal de Silicio "dopado" con átomos de Arsénico. Átomos "Donadores"

Las impurezas difundidas con cinco electrones de valencia se denominan átomos donadores.
Los materiales tipo N se crean añadiendo elementos de impureza (átomos) que tengan cinco electrones de valencia, "Pentavalentes".

Material Extrínseco Tipo P

Cristal de Silicio "Dopado" con átomos o impurezas de Galio. Átomos "Aceptores"

Las impurezas difundidas con tres electrones de valencia se denominan átomos aceptores.
Los materiales tipo P se crean añadiendo elementos de impurezas (átomos) que tengan tres electrones de valencia.
Por las razones antes expuestas, en un material tipo N el electrón se denomina portador mayoritario y el hueco, portador minoritario.
Cuando el quinto electrón (electrón sobrante) de un átomo donador abandona al átomo padre, el átomo que permanece adquiere una carga positiva neta: a éste se le conoce como ion donador y se representa con un circulo encerrando un signo positivo. Por razones similares, el signo negativo aparece en el ion aceptor.

Tipo N

ð Iones Donadores (Átomos de impurezas con 5 electrones).
- Portadores Mayoritarios.
+ Portador Minoritarios.
(Huecos generados cuando algunos electrones de átomos de silicio adquieren suficiente energía para romper el enlace covalente y convertirse en electrones libres y/o portadores Mayoritarios).

Tipo N

Tipo P

ð - Iones Aceptores (Átomos de impurezas con 3 electrones).
+ Portadores Mayoritarios.
- Portadores minoritarios.
(electrones libres generados cuando estos adquieren suficiente energía para romper el enlace covalente, el hueco que dejan se convierte en portado mayoritario).

Tipo P

Diodo Semiconductor

El diodo semiconductor se forma uniendo los materiales tipo N y tipo P, los cuales deben estar construidos a partir del mismo material base, el cual puede ser Ge o Si.
Las dimensiones de los bloques de material tipo N y tipo P, así como las técnicas y tecnologías que se utilizan para unirlos no son parte de los objetivos del curso y por esa razón no se abordará el tema, si alguien desea saber un poco más de esto, puede consultar el capítulo 13, 20 y/o 21 del libro de texto.

Región de Agotamiento

En el momento en que dos materiales son unidos (uno tipo N y el otro tipo P), los electrones y los huecos que están en , o cerca de, la región de "unión", se combinan y esto da como resultado una carencia de portadores (tanto como mayoritarios como minoritarios) en la región cercana a la unión. Esta región de iones negativos y positivos descubiertos recibe el nombre de Región de Agotamiento por la ausencia de portadores.

Existen tres posibilidades al aplicar un voltaje a través de las terminales del diodo:
- No hay polarización (VD = 0 V).
- Polarización directa (VD > 0 V).
- Polarización inversa (VD < 0 V).
VD = 0 V. En condiciones sin polarización, los portadores minoritarios (huecos) en el material tipo N que se encuentran dentro de la región de agotamiento pasarán directamente al material tipo P y viceversa. En ausencia de un voltaje de polarización aplicado, el flujo neto de carga (corriente) en cualquier dirección es cero para un diodo semiconductor.

La aplicación de un voltaje positivo "presionará" a los electrones en el material tipo N y a los huecos en el material tipo P para recombinar con los iones de la frontera y reducir la anchura de la región de agotamiento hasta desaparecerla cuando VD ≥ 0.7 V para diodos de Silicio.

ID = Imayoritarios - IS

Condición de Polarización Inversa (VD < 0 V). Bajo esta condición el número de iones positivos descubiertos en la región de agotamiento del material tipo N aumentará debido al mayor número de electrones libres arrastrados hacia el potencial positivo del voltaje aplicado. El número de iones negativos descubiertos en el material tipo P también aumentará debido a los electrones inyectados por la terminal negativa, las cuales ocuparán los huecos.
El fenómeno explicado anteriormente, en ambos tipos de material N y P, provocará que la región de agotamiento se ensanche o crezca hasta establecer una barrera tan grande que los portadores mayoritarios no podrán superar, esto significa que la corriente ID del diodo será cero.
Sin embargo, el número de portadores minoritarios que estarán entrando a la región de agotamiento no cambiará, creando por lo tanto la corriente IS.
La corriente que existe bajo condiciones de polarización inversa se denomina corriente de saturación inversa, IS.
El término "saturación" proviene del hecho que alcanza su máximo nivel (se satura) en forma rápida y no cambia significativamente con el incremento en el potencial de polarización inversa, hasta que al valor VZ o VPI, voltaje pico inverso.

El máximo potencial de polarización inversa que puede aplicarse antes de entrar en la región Zener se denomina Voltaje Pico Inverso o VPI nominal.
Los diodos de silicio tienen generalmente valores nominales de VPI y de corriente más altos e intervalos de temperatura más amplios que los diodos de germanio.
1.3 Curvas características (ideal, real y aproximadas) de un diodo.

La curva de un diodo semiconductor (o diodo real) se puede definir por la siguiente ecuación:

-------- K = 11,600/ð -------- ð ð 1 para Ge

TK = TC° + 273° ----------------------------------------------- ð ð ð para Si

Para un diodo de silicio la corriente de saturación inversa IS aumentará cerca del doble en magnitud por cada 10° C de incremento en la temperatura.
Debido a la forma que tiene la curva característica del diodo, mostrada anteriormente, y la forma compleja de la ecuación, con frecuencia se utiliza un modelo simplificado:

El modelo simplificado se puede utilizar siempre que la resistencia de la red y/o de los dispositivos junto a los cuales se conectará el diodo sea mucho mayor que la resistencia promedio del diodo rd, la cual se podría calcular como rd, en promedio, la resistencia de un diodo de pequeña señal es de 26ð. Red >> rd

1.4 Algunas imperfecciones del diodo y sus hojas de especificaciones.

Los dispositivos electrónicos (entre ellos los semiconductores) son sensibles a frecuencias muy elevadas. En los diodos se presentan dos efectos principales a altas frecuencias:

Capacitancias parásitas de Transición y de Difusión.
Tiempo de recuperación en Sentido Inverso.

En la región de polarización inversa se presenta principalmente la capacitancia de la región de agotamiento (CT), en tanto que en la de polarización directa se presenta principalmente la capacitancia de difusión o de almacenamiento (CD).

El tiempo de recuperación en sentido inverso se representa por trr. Cuando el diodo está polarizado directamente y el voltaje aplicado se invierte repentinamente, idealmente se debería observar que el diodo cambia en forma instantánea del estado de conducción al de no conducción. Sin embargo, debido a un número considerable de portadores minoritarios en cada material, el diodo se comportará como se muestra en la siguiente figura:

ts - Tiempo de almacenamiento. Tiempo requerido para que los portadores minoritarios regresen a su estado de portadores mayoritarios en el material opuesto.
tt - Intervalo de Transición. Tiempo requerido para que la corriente inversa se reduzca al nivel asociado con el estado de no conducción.
5ns ð trr ð 1 ðs en diodos de recuperación muy rápida (trr ð 150 Pseg.)

Hojas de especificaciones del diodo.

1. El voltaje directo VF (a una corriente u temperatura específica).
2. Máxima Corriente Directa IF (Temp. específica).
3. Corriente de Saturación Inversa IR (voltaje y temperatura específicos).
4. Voltaje inverso Nominal VPI o VBR (Temperatura).
5. Máximo nivel de disipación de Potencia PDmáx (Temperatura).
6. Capacitancias parásitas.
7. Tiempo de recuperación en sentido inverso trr.
8. Intervalo de temperatura de operación.
1.5 El diodo Zener, el diodo emisor de luz (LED) y otros tipos de diodos.

DIODOS ZENER

La corriente en la región Zener tiene una dirección opuesta a la d un diodo polarizado directamente.
El diodo Zener es un diodo que ha sido diseñado para trabajar en la región Zener.

De acuerdo con la definición, se puede decir que el diodo Zener ha sido diseñado para trabajar con voltajes negativos (con respecto a él mismo).
Es importante mencionar que la región Zener (en un diodo Zener) se controla o se manipula variando los niveles de dopado. Un incremento en el número de impurezas agregadas, disminuye el potencial o el voltaje de Zener VZ.
Así, se obtienen diodos Zener con potenciales o voltajes de Zener desde -1.8 V a -200 V y potencias de 1/4 a 50 W.
El diodo Zener se puede ver como un dispositivo el cual cuando ha alcanzado su potencial VZ se comporta como un corto. Es un "switch" o interruptor que se activa con VZ volts. Se aplica en reguladores de voltaje o en fuentes.

En el circuito que se muestra, se desea proteger la carga contra sobrevoltajes, el máximo voltaje que la carga puede soportar es 4.8 volts. Si se elige un diodo Zener cuyo VZ sea 4.8 volts, entonces este se activará cuando el voltaje en la carga sea 4.8 volts, protegiéndola de esta manera.

EL DIODO EMISOR DE LUZ (LED)

El LED es un diodo que produce luz visible (o invisible, infrarroja) cuando se encuentra polarizado.
El voltaje de polarización de un LED varía desde 1.8 V hasta 2.5 V, y la corriente necesaria para que emita la luz va desde 8 mA hasta los 20 mA.
Principio de Funcionamiento:
En cualquier unión P-N polarizada directamente, dentro de la estructura y principalmente cerca de la unión, ocurre una recombinación de huecos y electrones (al paso de la corriente). Esta recombinación requiere que la energía que posee un electrón libre no ligado se transfiera a otro estado. En todas las uniones P-N una parte de esta energía se convierte en calor y otro tanto en fotones. En el Si y el Ge el mayor porcentaje se transforma en calor y la luz emitida es insignificante. Por esta razón se utiliza otro tipo de materiales para fabricar los LED's, como Fosfuro Arseniuro de de Galio (GaAsP) o fosfuro de Galio (GaP).

Otros diodos son:

Diodos Schottky (Diodos de Barrera).
Diodos Varactores o Varicap.
Diodos Tunel.
Fotodiodos.
Diodos emisores de luz infrarroja.
Diodo de inyección láser (ILD).

Los diodos emisores de luz se pueden conseguir en colores: verde, rojo, amarillo, ámbar, azul y algunos otros.
En este punto del curso vale la pena tomar en cuenta los siguiente comentarios:
- ¿ Qué tan válido es utilizar las aproximaciones ?
- ¿ Qué tan exacto puede ser un cálculo y/o una medición realizada en el laboratorio ?
Hay que tener en cuenta que las características obtenidas de las hojas de especificaciones pueden ser distintas para los diodos (p. e. 1N4001) aunque ambos hayan sido producidos en el mismo lote.
También hay que tener en cuenta otro tipo de tolerancias como los resistores, uno marcado de 100ð puede ser realmente de 98ð o de 102ð o tal vez si ser exacto, y una fuente "ajustada" a 10V puede estar ajustada realmente a 9.9V o a 10.1V o tal vez a 10V.
1.6 Comportamiento de CC de un diodo.

ANÁLISIS POR RECTA DE CARGA

La carga o la resistencia de carga (RL o R) aplicada a un circuito, tendrá un efecto importante sobre el punto de región de operación de un dispositivo (en este caso el diodo).

Si se aplica la ley de voltajes de Kirchoff:

V - VD - VL = 0

V = VD + IDRL

Si se realiza un análisis en esta malla, de tal manera que pueda trazarse una línea recta sobre la curva de características del diodo, entonces la intersección de éstas representará el punto de operación de la red o punto Q.

Nótese que la recta de carga queda determinada en sus extremos por RL y V, de tal manera que representa las características de la red. Si se modifica el valor de V o de RL o de ambos, entonces la recta de carga cambiará también.
Los extremos de la recta de carga se obtienen buscando las intersecciones con los ejes (ID = 0 y después VD = 0):
Si VD = 0:

V = IDRL ó ID = V / RL

Si ID = 0:

V = VD ó VD = V

Como se mostró anteriormente, una línea recta trazada entre estos dos puntos define la recta de carga.
Es muy válido también utilizar para el diodo, en lugar de la curva real, la curva del modelo simplificado. En este caso, el punto Q no cambiará o cambiará muy poco.

Si en lugar del modelo simplificado se utilizara el modelo del diodo ideal, entonces sí cambiaría mucho el punto Q.

COMPORTAMIENTO DE CC DE UN DIODO

En esta sección se utilizará el modelo simplificado, o modelo aproximado del diodo para analizar el comportamiento en diversas configuraciones en serie y en paralelo con entradas de CD.
Para cada configuración o circuito debe determinarse primero el estado de cada diodo (Conducción o No Conducción). Después de determinar esto se puede poner en su lugar el equivalente adecuado y determinar los otros parámetros de la red.
En lo subsecuente, se utilizará el modelo simplificado, o modelo aproximado del diodo para analizar el comportamiento en diversas configuraciones en serie y en paralelo con entradas de CC (Corriente Continua, Corriente Directa).
A continuación se abordarán algunos puntos y conceptos a tomar en cuenta previos y para el análisis de un circuito con diodos:
1.- Un diodo estará en estado activo si VD = 0.7V para el Si y VD = 0.3 para el Ge.
2.- Para cada configuración o circuito debe determinarse primero el estado de cada diodo (conducción o no conducción).
3.- Después de verificar el punto anterior, en ocasiones es conveniente poner en lugar del diodo, el circuito equivalente adecuado y posteriormente determinar los otros parámetros de la red.
4.- Hay que tener en cuenta que:

Un circuito abierto puede tener cualquier voltaje a través de sus terminales (hasta VPI en el caso de un diodo), pero la corriente siempre es cero (IS en el caso de un diodo, aunque IS ð 0).
Un corto circuito tiene una caída de cero volts a través de sus terminales (0.7 volts para un diodo de Si, 0.3 volts para un diodo de Ge, 0 volts para un diodo ideal) y la corriente estará limitada por la red circundante.

En los diversos circuitos que se muestran a continuación, determine VD, ID y VR.
1.-

Con V = 12 volts

Realizando la malla:

V - VT - VR = 0

12 - 0.7 - IR = 0

Despejando I de la ecuación anterior:

I = (12 - 0.7)/1.2 k = 9.42 mA

Si en el ejemplo anterior se invierte el diodo:
2.-

Con el diodo invertido la corriente por él

será cero (si se utiliza el modelo simplificado)

y entonces I = 0.

12 - VD - VR = 0, donde VR = IR = 0

VD = 12 volts

I = ID = 0 A

3.-

En este caso, aunque la polaridad del voltaje de la

la fuente es adecuada para polarizar el diodo, el ni-

vel de voltaje es insuficiente para activar al diodo

de silicio y ponerlo en el estado de conducción.

De acuerdo con la gráfica ID = 0

0.4 - 0.4 - VR = 0

0.4 - 0.4 - IR = 0

I = 0 ð VR = 0

4.-

12 - VTSi - VTGe - IDR = 0 , si ID = I

12 - 0.7 - 0.3 - I (5.6k) = 0

I = 11V / 5.6k = 1.96 mA

VR = (1.96 mA)(5.6 k) = 11

Vo = VR = 11V

5.-

6.-

V1 - VR1 - VD - VR2 + V2 = 0

10 - IR1 -0.7 - IR2 + 5 = 0

14.3 - I(R1 + R2) = 0

I = 14.3 / (4.7k + 2.2k) = 2.1 mA

Vo = VR2 - V2 = (4.56 - 5)v = -0.44v

VR2 = (2.1 mA)(2.2k) = 4.56v

7.-

10 - VR - 0.7 = 0

10 - (I)(R) - 0.7 = 0

I = 9.3 / 3.3k = 2.8 mA

VR = (I)(R) = (2.8m)(3.3k) = 9.3 v

8.-

9.-

10.-

-VR2 + 20 - VD1 - VD2 = 0

1.7 El rectificador de media onda.

El Vprom o Vcd de esta señal rectificada es:

, pero ð ð ððf y f = 1/T

Si Vm es mucho mayor que VT ð Vcd ð 0.318Vm

Vpp = Valor pico a pico = 2Vp

Vp = Valor pico

Vpromedio = 0

Ejemplo: Dibuje la salida Vo y calcule el nivel de cd para la siguiente red.

a) con Vi = 20 sen ðt volts y con diodo ideal.

Con el diodo conectado de esta manera, éste conducirá únicamente en la parte negativa de Vi.

Vcd = -0.318Vm = -0.318(20)

Vcd = -6.36 volts

b)Repita el inciso anterior si el diodo se sustituye por uno de silicio.

Vcd = - 0.318(Vm - VT)

Vcd = - 0.318(20 -0.7)

Vcd = - 6.14V

c) Repita el inciso a) si el diodo ideal se sustituye por uno de silicio y Vi = 179.6 sen ðt volts.

d) Repita el inciso anterior con diodo ideal.

El voltaje pico inverso del diodo es de fundamental importancia en el diseño de sistemas de rectificación.
El VPI del diodo no debe excederse (Vm < VPI) ya que de lo contrario, el diodo entraría en la región de avalancha o región Zener.
La mayor parte de los circuitos electrónicos necesitan un voltaje de c.d. para trabajar. Debido a que el voltaje de línea es alterno, lo primero que debe hacerse en cualquier equipo electrónico es convertir o "rectificar" el voltaje de alterna (c.a.) en uno de directa (c.d.).
La tarea de la "fuente" o fuente de alimentación de cualquier equipo o aparato electrónico es obtener el o los niveles adecuados de c.d. a partir del voltaje de linea (127 VRMS).

El transformador es un dispositivo que se utiliza para elevar o reducir el voltaje de CA, según como sea necesario.

donde:

V1 = Voltaje en el devanado primario

V2 = Voltaje en el devanado secundario

N1 = # de vueltas en devanado primario

N2 = # de vueltas en el devanado secundario

P.e. Si la razón de vueltas es 6:1 y Vin es el voltaje de la línea:

1.8 El rectificador de onda completa (R.O.C.)

Se conocen y se utilizan dos configuraciones para rectificadores de onda completa. La primera de ellas es el "Puente" rectificador de onda completa: