Diodo semiconductor 4ºESO

Tecnología 3º ESO Departamento de tecnología

I.E.S. JOSE ISBERT 1

CAPÍTULO : DIODO SEMICONDUCTOR

1. DEFINICIÓN

El diodo semiconductor es un elemento que sólo deja pasar la corriente eléctrica en un sentido (y diremos entonces que esta en conducción directa o polarizado en directa). En sentido contrario sólo circularán una corriente muy débil (y por tanto despreciable) de unos pocos portadores minoritarios (y diremos entonces que esta en conducción inversa o polarizado en inversa).

2. UNIÓN PN

Un semiconductor tipo N se obtenía añadiéndole átomos pentavalentes, produciéndose electrones libres.

Un semiconductor tipo P se obtenía añadiéndole átomos trivalentes, produciéndose huecos.

Veamos una forma de representar estos semiconductores:



Podemos producir un cristal semiconductor tipo P en un lado y de tipo N en el otro lado y llamaremos unión PN a la frontera donde se juntan la zona P con la zona N. Esta estructura recibe el nombre de DIODO DE UNION O DIDO SEMICONDUCTOR. Veamos que ocurre precisamente en la frontera donde se junta la zona P y la N. En un lado tendremos muchos electrones libres (zona N) y en la otra muchos huecos (zona P). Algunos de estos electrones pasan a la otra zona y se “recombinan” (o sea, para que lo entiendas caen en los huecos) con huecos. Por tanto va a existir una franja donde no habrá electrones libres ni huecos, y que se ha vaciado pues de portadores.

DIODO DE UNION



DIODO DE UNION

Aunque la explicación de cómo se forma esta zona sin portadores es mucho más compleja, puedes entender que se ha formado una especie de barrera de potencial , la cual habría que superar para que volviera a haber circulación de portadores a través de ella. Por ejemplo, a 25ºC la barrera de potencial es aproximadamente de 0,3 V para diodos de Germanio y de 0,7 V para diodos de Silicio. Dicho de otro modo necesitaríamos aplicarle al diodo de Silicio, por ejemplo, una tensión entre sus bornes superior a 0,7 V para que empezará a conducir.

POLARIZACION DEL DIODO Veamos, pues, cómo conectar una fuente de alimentación a un diodo. Puede

hacerse de dos modos. Podemos conectar el terminal positivo de la fuente con el lado P del diodo y el

terminal negativo con el lado N. A este modo de conectar se le denomina POLARIZACIÓN DIRECTA.

También se puede conectar al revés, es decir, el terminal negativo de la fuente con el terminal lado P y el terminal positivo con el lado N. A este modo de conectar se le denomina POLARIZACION INVERSA.

POLARIZACION DIRECTA Si conectamos tal como se ha comentado anteriormente, ¿qué efecto provoca la fuente de alimentación sobre el diodo?. El terminal positivo de la fuente repele los huecos del mismo modo que los electrones son repelidos por el terminal negativo. De este modo estamos inyectando portadores en la zona desprovista de ellos, es decir estamos disminuyendo esta zona y por tanto, la barrera de potencial. Vamos a tratar de explicarlo mediante un símil o comparación:



Imagina este efecto pensando en la unión PN como un trampolín de salto de esquí sobre el que se deslizan los electrones. La altura del trampolín representa el numero de electrones, al existir muchos electrones en la zona N, estos serán mas rechazados por sus compañeros y se deslizarán rápidamente atravesando la zona de unión, contrarrestando un poco su velocidad en la reconversión de la zona P (unión de los huecos con los electrones) y saliendo del diodo hacia el circuito.

POLARIZACION INVERSA Si se polariza inversamente el diodo, es decir, terminal negativo de la fuente conectado a zona P y terminal positivo conectado a zona N, se están introduciendo electrones en la zona P, que caerán en los huecos (recombinándose) y huecos en la zona N, que serán llenados por los electrones de la zona; con ello se conseguirá aumentar esa zona desprovista de portadores, y que dificultará el paso de los electrones. Por tanto aumenta la barrera de potencial. El símil deportivo se puede observar en la figura siguiente, donde se ve que los electrones descienden por un pequeña pendiente, disponiendo luego de una zona llana, donde pierden velocidad y, si ésta no es muy grande al inicial el recorrido, los electrones no conseguirán remontar la zona de material N. En la práctica es tan pequeña la cantidad de electrones que superan la cuesta que se dice que el diodo no conduce.



3. SÍMBOLO DEL DIODO

La siguiente figura muestra el símbolo eléctrico del diodo semiconductor. El lado P lo denominaremos ANODO y el lado N CATODO. El símbolo es una flecha y una línea perpendicular a ésta y trazada por su punta. Como se observa la flecha apunta en el sentido de ir desde el lado P al lado N, es decir, de ánodo a cátodo. También nos indica el sentido de recorrido de la corriente convencional (recuerda los electrones irán en sentido contrario).

4. CURVA DEL DIODO Para entender la curva del diodo, hemos de entender que un diodo no es un

componente lineal. ¿Y qué entendemos nosotros por componente lineal?. Aquel que la corriente que pasa por él es directamente proporcional a la tensión que se aplica en sus bornes. O sea, a mayor tensión, mayor corriente. Por ejemplo, esto ocurre con las resistencias (ya deberíamos llamarlas lineales). Si dibujamos la corriente en función de la tensión, se obtiene una línea recta.

Bien, esto no ocurre con el diodo, es decir, la curva que se obtiene si se representa

intensidad frente a tensión no es una línea recta y se dice, pues, que el diodo no es un componente lineal.

P N

P N

SENTIDO DE CORRIENTE

CONVENCIONAL

+ -ANODO CATODO

SIMBOLO DEL DIODOSIMBOLO DEL DIODO



I

V

ZONA

DIRECTA

ZONA

INVERSA

Tensión umbral (0,7 V para Si)

De esta curva podemos deducir varias conclusiones: 1º.-Existen dos zonas, denominadas zona directa y zona inversa, que corresponden a la polarización directa e inversa respectivamente. Es decir, cuando nos encontramos en la zona directa el diodo está polarizado en directa. Y si estamos en la zona inversa es por que el diodo estará polarizado en inversa. 2º.-Estando polarizado directamente (zona directa) el diodo no empieza a conducir (a dejar pasar corriente) hasta que no aplicamos en sus bornes una tensión superior a un cierto valor, y que en el caso de los diodos de Silicio es de 0,7 voltios. Este era el valor de la “barrera de potencial” que se comento anteriormente. Es decir, hay que vencer la barrera para que el diodo conduzca. 3º.-Una vez se ha superado esa tensión, observa que con poca tensión que aumentes, la corriente que se obtiene es muy grande, o sea no ofrece prácticamente resistencia y se convierte en un conductor casi perfecto. 4º.-En la zona inversa, puedes observar, que la corriente es despreciable (pero existe un pequeño valor, es la llamada corriente de fugas o de portadores minoritarios) hasta un determinado valor de tensión, a partir de la cual el diodo se daña. De los cuatro puntos o conclusiones anteriores, podríamos resumirlas del siguiente modo y tal como nosotros vamos a trabajar con los diodos:



Un diodo polarizado en directa conduce si le aplicamos una tensión superior a la tensión umbral (o barrera de potencial) y entonces se convierte en un “interruptor cerrado”.

Un diodo polarizado en inversa no conduce y como un “interruptor abierto”

¿Podríamos representar estas dos condiciones en una grafica I frente a V?. La respuesta es que sí, con lo que obtendríamos lo que se denomina CURVA DEL DIODO IDEAL

I

V

ZONA

INVERSA

Tensión umbral (0,7 V para Si)

ZONA

DIRECTA

5. COMPROBACIÓN DE DIODOS

En relación con lo mencionado anteriormente, podemos comprobar si los diodos están o no en buenas condiciones, pues si un diodo se polariza directamente debe presentar

una resistencia directa muy pequeña, alrededor de 1 Ω y si por el contrario lo polarizamos

de forma inversa, la resistencia inversa es muy alta, alrededor de 1 MΩ o más. Cómo sabes esta resistencia se puede medir con el óhmetro del polímetro. También

se puede recurrir a circuitos como los de la siguiente figura.



6. TIPOS DE DIODOS Existen varios tipos de diodos: Diodos LED : Se denominan Diodos Emisores de Luz, los

cuales por medio de un proceso conocido como electroluminiscencia transforma la energía eléctrica en luminosa.

Los LED han sustituido en muchas aplicaciones a las lámparas de incandescencia debido a su baja tensión, la gran rapidez de conmutación y su larga vida. Para fabricarlos se emplean elementos como el arsénico, el fósforo y el galio, con los que se pueden obtener LED que radien luz roja, verde, amarilla, azul, naranja o infrarroja (invisible). ¿Dónde se emplean?. Seguramente te habrás fijado en equipos de música que llevan unos pequeños pilotos de color verde, rojo etc, los cuales suelen utilizarse como indicadores de que el aparato se encuentra encendido. Estos pilotos son LED. Los LED de luz infrarrojos suelen utilizarse para aplicaciones en sistemas de alarma.

El símbolo del diodo LED es igual al diodo semiconductor al que se añaden

unas flechas que salen del triángulo y que simbolizan la luz radiada.

P N

+ -ANODO CATODO

SIMBOLO DEL DIODO LEDSIMBOLO DEL DIODO LED

Cómo ya se ha comentado, es importante conectar (o polarizar)

correctamente un diodo (ya sea un LED o de cualquier otro tipo); para ello es necesario aprender a identificar sus terminales (ánodo y cátodo).

Un LED, normalmente lleva un chaflán que coincide en la patilla más corta,

indicándonos que es el cátodo y que debe conectarse al polo negativo. La patilla más larga es el ánodo y es la que debe conectarse al polo positivo.

Con relación a sus características eléctricas los LED admiten entre sus

terminales una tensión comprendida entre 1,5 a 2 V, y aproximadamente una intensidad máxima de 80 mA.



Dicho en otras palabras, un diodo LED no lo puedes conectar a una tensión

superior a 2 V, pues corres el riesgo de “fundirlo”. Y sin embargo suele ser muy habitual utilizar en el aula-taller pilas de 4,5 V. ¿Cómo podemos solucionar este problema?. La solución estriba en intercalar en serie con el diodo LED una resistencia de un valor óhmico tal que nos produzca una caída de tensión en ella, que provoque que el diodo se encuentre a 2 Voltios como máximo; de este modo se limita la corriente que circula por el LED, y evitando así posibles sobrecargas.

Normalmente estas características suelen venir dadas por el fabricante

Diodos RECTIFICADORES Podemos decir que la aplicación más universal del diodo es la rectificación, que es la

conversión de la corriente alterna en corriente continua. Este tipo de diodos se caracteriza, por tanto, por conducir la corriente en un sentido (ánodo-cátodo).

Se puede decir que se comporta como un interruptor, pues en el sentido directo (ánodo-cátodo) presenta una resistencia de pequeño valor (aproximadamente 300 ohmios), y por tanto deja pasar la corriente, mientras que en el sentido inverso al presentar una

resistencia de hasta 500 KΩ, impide el paso de la corriente. Las características de los diodos vienen determinadas por el fabricante. Estos diodos

se suelen encontrar limitados por la tensión de utilización y la intensidad máxima (¡ojo! siempre valores instantáneos).

EJERCICIO: Calcular el valor de la resistencia que se debe intercalar en serie con un diodo LED que funciona a una tensión de 2 V. y con una intensidad máxima admisible de 100 mA. si se va a alimentar con una fuente de alimentación de 12 V.



RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA El circuito más sencillo que nos permite convertir una corriente alterna en continua es

el rectificador de onda

Durante el semiciclo positivo de la corriente alterna, se observa que tenemos tensión

positiva en el ánodo y negativa en el cátodo, estando, por tanto, el diodo polarizado en directa y por tanto conduce (es como un interruptor cerrado). Y la tensión que nos está dando el generador de alterna aparece con la misma forma senoidal, en la resistencia (habitualmente le llamaremos la “carga”).

Durante el semiciclo negativo de la tensión que proporciona el generador de corriente

alterna, tenemos que el ánodo del diodo esta puesto a tensión negativa mientras que el cátodo está puesto a tensión positiva, es decir, está polarizado en inversa y se comporta como un interruptor abierto. Por tanto no deja pasar corriente y en la resistencia no habrá caída de tensión (tendremos tensión nula).



Como se observa, la señal (la forma de la onda) que se obtiene se denomina de media onda porque los semiciclos negativos han sido eliminados, obteniéndose en la carga (resistencia) una corriente en forma de pulsos senoidales positivos.

Cómo se puede observar, esta corriente todavía no puede considerarse continua, en

el aspecto de presentar un valor prácticamente constante. Para intentar conseguir la corriente continua se coloca un condensador en paralelo con la carga (R).

Este condensador actuará como un almacén de energía cargándose en la zona ascendente (consideremos solo valores absolutos) de la curva, y cediendo esa energía a la carga en la descendente.

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA En la siguiente figura se muestra un circuito que nos permite una rectificación

completa de la señal alterna (no se elimina ninguna semionda, sino que todas las semiondas obtenidas son ya positivas).

Este circuito recibe el nombre de rectificador de onda. La rectificación completa se

consigue recurriendo al empleo de un transformador de toma intermedia , con lo cual solo son necesarios dos diodos, equivaliendo a dos rectificadores de media onda. El rectificador superior funciona con el semiciclo positivo de tensión alterna, y por tanto conduce D1, mientras que el rectificador inferior funciona con el semiciclo negativo, conduciendo entonces D2. Puede observarse que la corriente en la carga siempre circula en la misma dirección.



Esta rectificación se consigue gracias al hecho de que el punto A del transformador

es negativo con respecto al central cuando el B es positivo, es decir el punto central es el punto de tensión cero, por ello lo utilizaremos como masa.

PUENTE RECTIFICADOR En la siguiente figura se puede ver otro circuito de rectificación completo (no se

elimina ninguna semionda, sino que todas las semiondas obtenidas son ya positivas). A este circuito se le denomina puente rectificador

Empleando cuatro diodos en lugar de dos, este montaje elimina la necesidad de la

toma intermedia del secundario del transformador. En este circuito observamos como durante semiciclo positivo de la tensión alterna

proporcionada por el transformador, los diodos D1 y D3 conducen (pues están polarizados directamente) y producen un semiciclo positivo en la carga . Por supuesto no conducen los diodos D2 y D4 (los cuales están polarizados en inversa). Observa el sentido de la corriente en la carga.



Durante el semiciclo negativo ocurre lo contrario, los diodos que conducen son los

D2 y D4 (ahora si están polarizados en directa) y no lo hacen los diodos D1 y D3 (que están en inversa). Como veras de la figura, la corriente por la carga circula en el mismo sentido que en el caso anterior; por tanto se ha logrado una rectificación completa de la señal alterna.

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