Diodos

Electricidad. Diodo. Conductores, aislantes y semiconductores. Corriente. Crecimiento. Difusión. Circuitos AF y RF. Unión P-N. Polarización directa

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INTRODUCCION

La sociedad actual ha experimentado cambios nunca antes vistos. Somos testigos de la influencia de la Electrónica en todos los aspectos de la tecnología. Es inconcebible la vida moderna sin los medios de comunicación (radio, televisión, telefonía), sin los sistemas de manejo de información (computación), sin la electrónica de consumo en el hogar, sin los avances de la medicina auxiliados por la técnica. Todo ha sido posible gracias a los trabajos de investigación y desarrollo tecnológico, los cuales se han visto acelerados a partir de la invención de los diodos y transistores. Estos dispositivos basados en materiales semiconductores, a partir de los cuales se fabrican prácticamente todos los sistemas electrónicos actuales. La tecnología de los semiconductores es un factor básico en las economías de los países desarrollados.

De acuerdo con la facilidad con que se mueven los electrones por el interior de las sustancias se establecen tres tipos de éstas: conductores, aislantes y semiconductores. La facilidad del movimiento depende de la estructura atómica de la sustancia.

Conductores. Son sustancias que poseen muchos electrones libres. El movimiento errático de dichos electrones puede encauzarse en una dirección aplicando una fuerza y conseguir un flujo electrónico.

Aislantes. También llamados dieléctricos, son sustancias, cuya estructura atómica retiene fuertemente a los electrones y el movimiento de éstos sólo se produce dentro de los límites del átomo.

Semiconductores. Estas sustancias tienen propiedades intermedias entre la de los conductores y la de los aislantes. La cantidad de electrones libres depende de determinado factor (calor, luminosidad,, etc.).

Definición de Diodo

Un diodo es una sustancia cuya conductividad es menor que la de un conductor y mayor que la de un aislante. El grado de conducción de cualquier sustancia depende, en gran parte, del número de electrones libres que contenga. En un conductor este número es grande y en un semiconductor pequeño es insignificante. El número de electrones libres de un semiconductor depende de los siguientes factores: calor, luz, campos eléctricos y magnéticos aplicados y cantidad de impurezas presentes en la sustancia.

Compresión

Para comprender más que son los diodos semiconductores es necesario en primer lugar familiarizarse con las características de los cuerpos básicos y modificados que se utilizan.

Los cuerpos básicos, en las aplicaciones comerciales, son el germanio y el silicio purificados preparados especialmente en estado de cristal. Estos cuerpos son excelentes aislantes porque la estructura cristalina mantiene eficazmente en su lugar todos los electrones externos que normalmente quedarían libres para entrar en la circulación de corriente.

El diagrama representa la vista simplificada de un cuerpo puro semiconductor tal como el germanio o el silicio. Cada átomo tiene cuatro electrones externos representados por pequeños signos negativos. Los electrones internos ligados al núcleo y el mismo núcleo, se representan mediante un circulo en negro. A causa de la estructura cristalina, los núcleos están alineados en disposición simétrica y cada electrón externo comparte la órbita de otro electrón externo de un átomo vecino. Es esta disposición de órbitas compartidas que mantiene eficazmente cada electrón en su lugar y no algún fuerte encadenamiento extraño entre el electrón y su núcleo.

Para que una tensión aplicada diera lugar a un flujo de electrones, debería ser suficientemente alta para romper la ligadura de los electrones antes de que dichos electrones quedaran libres para moverse hacia el terminal de tensión positiva. Al romper la ligadura, la tensión destruiría también la estructura cristalina.

Como que no puede circular corriente eléctrica a través de un cuerpo cristalino puro tal como el descrito, aquel cuerpo debe modificarse para obtener una circulación de corriente que se pueda gobernar.

Un método para obtener circulación de corriente es añadir una pequeña cantidad de átomos que tengan cinco electrones externos. Los átomos adecuados para este fin son los de fósforo, antimonio y más frecuentemente, arsénico. Estos átomos son distribuídos a través del cuerpo básico puro mientras se lo está tratando para que adquiera el estado cristalino y la estructura que se representa en el esquema. La proporción de los átomos que forman la impureza es del orden de una parte en cien millones. Una proporción mayor a una circulación de corriente que ya no puede gobernarse.

Los átomos que forman la impureza se introducen en la estructura de la misma manera que los átomos del cuerpo básico. La diferencia importante estriba en que el electrón externo adicional de cada átomo de la impureza queda sin encadenarse con la estructura cristalina. Si se conecta una tensión contínua (CC) entre los extremos de un trozo de semejante material, los electrones encadenados quedan libres para circular a través de la estructura cristalina hacia el borne positivo. El número total de electrones no encadenados en el cristal permanece siempre el mismo —cada electrón que abandona el cristal en el terminal positivo es reemplazado por otro que entra por el negativo. En consecuencia, se produce una circulación constante de corriente.

Como que la circulación de corriente en este material se debe a un exceso de partículas (electrones) negativas, se conoce a tal material como semiconductor “por exceso”, o del “tipo N”.

Existe otro método de modificar el cuerpo básico cristalino puro para obtener un flujo de corriente que se pueda gobernar. Durante el tratamiento del cuerpo básico, los átomos de la impureza, tales como los de aluminio, boro o indio, se añaden en pequeñas cantidades. Estos átomos que forman la impureza tienen solamente tres electrones externos y se introducen en la estructura cristalina tal como se representa en el diagrama.

La comparación de este diagrama con el correspondiente al cuerpo básico puro muestra que a la estructura modificada le falta un electrón por cada átomo de impureza. El espacio que deja en la estructura el electrón que falta, se denomina “poro”. Se refiere al espacio existente entre las moléculas de los cuerpos. Observe que el poro no está situado necesariamente en la vecindad inmediata del átomo de impureza. Durante el tratamiento, el átomo de la impureza atrae un electrón externo próximo para llenar el espacio de la estructura cristalina que le rodea y el poro “se mueve” hacia algún lugar. Una serie de electrones externos puede abandonar sus núcleos para llenar el espacio y el “poro” puede viajar una distancia considerable antes de alcanzar una posición de equilibrio.

Aplicando una tensión de CC a través de los extremos de un trozo de este material el “poro” tiene las características de una carga positiva y circula hacia el terminal negativo de la fuente de tensión. El número total de “poros” en el cristal se mantiene siempre igual. Cada “poro” que alcanza el extremo negativo del cristal es neutralizado por un electrón que abandona el terminal positivo y entra en el cristal. Esto da al cristal un exceso de carga negativa. E1 cristal vuelve a ganar una carga neutra cuando descarga un electrón al terminal de tensión positiva y crea otro “poro”. E1 nuevo “poro” circula hacia el terminal negativo dando como resultado una continua circulación de “poros” a través del cristal y un flujo continuo de electrones a través de los conductores.

Como que la circulación de corriente en este cuerpo se debe a faltas (“poros”) en la estructura cristalina y estas faltas simulan cargas positivas, el material es conocido como semiconductor “por defecto”, o del “tipo P”.

Un diodo semiconductor consta esencialmente de materiales semiconductores de los tipos P y N en íntimo contacto entre sí.

Existen dos tipos básicos de diodos semiconductores en uso actualmente el de “unión” y el de “puntos de contacto”. Existen algunas variaciones fundamenteles de cada uno de los tipos básicos que también se examinaran.

En la practica corriente se encuentran dos tipos diferentes de unión. En la unión se forma “por crecimiento” en el diodo y en el otro la unión se por “difusión”.

El dibujo representa en forma simplificada la disposición para formar una unión por crecimiento. Dentro de un recipiente hermético en el cual se ha hecho el vacío, o se lo llena de un gas inerte, se suspende un crisol que contiene germanio puro. Mediante una bobina de inducción se calienta el germanio hasta su punto de fusión. Para comenzar la formación del diodo, se le añade impureza del tipo N, la que se difunde a través de la masa en fusión. Una pequeña barra, cortada de un solo cristal de germanio, se sumerge hasta tocar la superficie del germanio fundido y luego se la retira lentamente haciéndola girar. El germanio fundido se solidifica en el punto de contacto con la barra sólida y el proceso de extracción determina el crecimiento de una varilla de germanio tipo N. Esta varilla es en realidad un solo cristal perfecto con un diámetro del orden, de 25 milímetros.

La unión se forma después de que la varilla ha crecido hasta una longitud de unos 12 milímetros. Se ánade suficiente cantidad de impureza de tipo P para neutralizar la impureza de tipo N y convertir al germanio en tipo P. Se continúa el proceso de extracción y el resto de la varilla es germanio tipo P.

Toda la varilla es un solo cristal de germanio y la única diferencia es el tipo de impureza de sus dos mitades. Se corta de la varilla la región de unión P-N, que se divide en aproximadamente un centenar de pequeños prismas conteniendo todos la unión. Cada conjunto va provisto de terminales de alambre, conectados por fusión o soldadura, y el todo se encierra en un recipiente que lo protege mecánicamente y lo aísla de la atmósfera.

Se explicó anteriormente que un diodo semiconductor consiste básicamente en una unión entre semiconductores tipo P y tipo N. A primera vista no parece existir unión P-N en el sistema de puntos de contacto. En realidad, no se comprende muy bien la manera de trabajar del diodo de puntos de contacto. En una u otra forma, independientemente de las diversas suposiciones que puedan hacerse, estas teorías llegan a conclusiones de que hay algo en la región del punto de contacto que trabaja de manera similar a una unión P-N.

Una comprobación de esta teoría es el hecho de que los diodos de germanio de tipo N construidos de esta manera, generalmente trabajan mejor después de una “formación”. La formación consiste en hacer pasar un fuerte impulso de corriente a través del diodo. Después de la formación, la punta del alambre de contacto se encuentra unida a la placa semiconductora. La intensa corriente, aparentemente funde el material semiconductor en la región de la punta de contacto. Esta rápida fusión y enfriamiento ocasiona al parecer una conversión localizada de la materia tipo N en materia tipo P formándose asá una unión P-N. Los motivos de esta conversión son difíciles de explicar, pero pruebas exactas demuestran que la conversión tiene lugar.

TIPOS DE DIODOS

En esta página se representan varios tipos de diodos semiconductores disponibles comercialmente. Puede verse que existe una amplia variedad de disposiciones físicas. Se incluyen entre ellas, cilindros de cerámica con extremos metálicos, tubos de vidrio con o sin extremos metálicos, recipientes de plástico, recipientes metálicos recubiertos de plástico y cilindros metálicos con montura de tornillo. Algunas de estas variantes externas se deben a preferencias del fabricante. Otras características tienen una función especifica, tal como la montura de tornillo, que puede emplearse para disipar el calor producido por los rectificadores de potencia.

Aunque no siempre aparente sin atento examen, muchos de los recipientes de los diodos semiconductores están marcados con una flecha. La flecha señala el sentido de fácil circulación de corriente, tal como la indicaría un instrumento de CC. La razón de este sistema de marca es permitir al técnico y a quien efectúe reparaciones un método seguro de establecer las conexiones necesarias. Se elimina así la necesidad de deducir esta información mediante un esquema que puede dar lugar a confusión en algunos casos especiales. En muchos esquemas, los diodos semiconductores aparecen marcados según esta disposición.

Los diodos semiconductores son de gran flexibilidad de aplicación. Pueden utilizarse en todas aquellas aplicaciones en las que actualmente se emplean los rectificadores metálicos secos y los diodos de vacío; y tienen algunas aplicaciones poco corrientes que les son exclusivas. La ventaja de utilizar un diodo semiconductor en su reemplazo es que generalmente es menor, más eficaz y trabaja a frecuencias notablemente superiores que el tubo de vacío o el rectificador metálico seco, y no requiere energía para el filamento, como en el caso del tubo de vacío.

El dispositivo más sencillo consta de una resistencia, un rectificador y el sistema móvil de un instrumento de CC. El flujo de electrones indicado por las flechas negras pasa a través del sistema móvil del instrumento, haciendo desviar su aguja. Este flujo de electrones es consecuencia de un semiciclo contrario de la tensión de la línea. La circulación de electrones resultante del semiciclo contrario de la tensión de la línea está representada por flechas blancas. Aunque el dispositivo móvil del instrumento está atravesado solamente por impulsos de corriente continua, la aguja no puede moverse con la rapidez necesaria para seguir sus máximos y mínimos, indicando el valor medio de los impulsos de corriente.

Frecuentemente, la resistencia es variable de modo que la lectura que señala la aguja pueda ajustarse según el alcance del instrumento. Utilizando como rectificador un diodo semiconductor, el instrumento puede calibrarse a la frecuencia de la línea del alumbrado y dará lecturas exactas del voltaje, mediante un factor de corrección, a frecuencias de hasta cientos de megaciclos.

En los circuitos de AF ( audiofrecuencia ) y RF ( radiofrecuencia ), sin embargo, esta falta de uniformidad en la carga puede dar lugar a lecturas inexactas y perturbar el trabajo del circuito. Añadiendo otro rectificador al sistema, se deriva el semiciclo no utilizado hacia un camino de baja resistencia externo al instrumento, obteniéndose así una carga bastante uniforme. Puede utilizarse un circuito en puente de cuatro rectificadores, como se ve en el esquema, de modo que los dos semiciclos de la corriente alterna circulen a través del instrumento en el mismo sentido. Esto da como resultado una carga equilibrada para los dos semiciclos de corriente.

Otras aplicaciones de los diodos semiconductores incluyen su utilización en los circuitos de fuentes de alimentación. En tales aplicaciones, los diodos semiconductores tienen la ventaja de ser robustos, de larga vida, de poco tamaño y capaces de grandes intensidades de salida. Unicamente hasta ahora los semiconductores eran más caros que los rectificadores metálicos secos equivalentes y se disponía de una selección muy limitada de tipos capaces de proporcionar mucha potencia. Actualmente, los diodos semiconductores se usan frecuentemente con preferencia a los rectificadores metálicos a causa de la economía de espacio y mayor rendimiento y porque la diferencia de costos es pequeña.

Si se emplean los diodos semiconductores en fuentes de alimentación, los circuitos más comunes son el de media onda y el montaje en puente. Son equivalentes a los circuitos para instrumentos de medida descritos anteriormente.

El objeto de las resistencias en serie con los rectificadores es impedir un exceso de corriente que podría estropear el rectificador, como ocurriría en el caso eventual de un cortocircuito o de una sobrecarga en el equipo al cual el rectificador estuviese conectado. Entre el rectificador y la carga puede disponerse de un filtro RC (resistencia - capacidad) o bien un filtro LC (inductancia - capacidad). También puede disponerse del circuito doblador de voltaje que representa el esquema.

En los circuitos receptores, los diodos semiconductores pueden utilizarse como eficaces mezcladores o detectores.

Vamos a estudiar ejemplos de ambos circuitos.

El esquema representa un mezclador de diodo semiconductor, muy sencillo. Este mezclador trabaja bien en las bandas de broadcasting, televisión y de microondas. No se usa frecuentemente en las bandas de broadcasting o televisión, puesto que su ganancia es menor que la unidad, y puede obtenerse una ganancia importante por medio de los mezcladores de tubo de vacío o de transistores. En las frecuencias correspondientes a las microondas, sin embargo, el mezclador de diodo semiconductor trabaja eficazmente donde otros circuitos fallan.

Cuando el circuito está en funcionamiento, el oscilador local entrega una tensión constante al rectificador. Se obtiene en consecuencia un flujo constante de corriente a través del mezclador semiconductor, flujo de corriente que consiste en impulsos unidireccionales a la frecuencia del oscilador local. La señal de RF de entrada, proveniente de la antena, también se aplica al mezclador. Tiene lugar la acción heterodina de manera similar a la del circuito mezclador normal y la salida del mezclador consiste en cuatro frecuencias diferentes: la frecuencia de la señal de RF que viene de la antena, la frecuencia del oscilador local, la suma de estas dos señales de entrada y la diferencia de las mismas. Como en el caso del mezclador normal, el transformador de FI (frecuencia intermedia) está sintonizado únicamente a la señal diferencia de las dos de entrada; y la amplificación de la señal modulada tiene lugar a la frecuencia más baja.

En las aplicaciones como detector, el circuito de diodo semiconductor es esencialmente el mismo que el circuito de tubo de vacío y el circuito para medidas estudiado anteriormente.

Cuando la señal de FI modulada en amplitud es rectificada, se obtiene una corriente pulsatoria unidireccional cuyos componentes son una señal de FI y una señal de AF. La componente de FI es derivada a masa mediante un condensador que tiene poca capacidad para derivar también la componente de audio. Resulta así que la componente de audio es la señal aplicada a la entrada del audio amplificador, habiéndose efectuado así la detección.

RESUMEN

CUERPOS SEMICONDUCTORES

— El germanio y el silicio puros cristalizados son los cuerpos básicos utilizados corrientemente en los diodos semiconductores y transistores. Estos cuerpos son excelentes aislantes debido a que la estructura cristalina mantiene firmemente en su lugar a todos los electrones externos.

SEMICONDUCTOR TIPO N

—Puede obtenerse un cuerpo semiconductor añadiendo átomos de impureza que penetran en la estructura cristalina pero que tienen un exceso de electrones externos no encadenados a la estructura. El flujo de corriente es conducido por el exceso de electrones cargados negativamente que circulan a través del cristal hacia el terminal cargado positivamente.

SEMICONDUCTOR TIPO P

—También puede obtenerse la conducción añadiendo átomos de impureza que no tienen suficiente número de electrones externos para llenar todos los encadenamientos de cristal. Los espacios por llenar se denominan “poros” y tienen las características de cargas positivas.

A1 aplicar una tensión, los “poros” circulan hacia el terminal del cristal cargado negativamente.

DIODO DE UNION

— Un diodo de unión consiste en cuerpos semiconductores de los tipos P y N en íntimo contacto. La unión puede obtenerse durante el proceso de formación del cristal (unión por crecimiento) o mediante un sistema de disolución y recristalización (unión por aleación).

DIODO DE PUNTOS DE CONTACTO

— E1 diodo de puntos de contacto consiste en una placa de un cuerpo semiconductor de tipo P o tipo N en contacto con un alambre puntiagudo. La región de contacto puede considerarse como una unión P-N.

POLARIZACION DIRECTA

—La disposición de polarización de la unión P-N que muestra el dibujo, se conoce como “polarización directa”. Se necesitan solamente algunos voltios para hacer que todos los “poros” y electrones en exceso circulen hacia la unión dando por resultado la máxima intensidad de corriente permisible.

POLARIZACION INVERSA

— Cuando las conexiones de polarización de la unión son contrarias a la polarización directa, todos los “poros” y electrones en exceso circulan separándose de la unión y no dan lugar a un flujo continuo de corriente.

Unicamente “poros” y electrones erráticos pueden formar un flujo continuo de corriente. Se necesitan tensiones elevadas, y la máxima corriente que se obtiene es só10 una fracción de la obtenida mediante la polarización directa.

APLICACIONES DEL DIODO SEMICONDUCTOR

  • Los diodos semiconductores pueden usarse en todas las aplicaciones adecuadas para los rectificadores de tubo de vacío o metálicos secos. Los circuitos que le son familiares incluyen rectificadores para instrumentos de medida, fuentes de alimentación, mezcladores y detectores.

ANEXO A

Como complemento importante dentro de la investigación realizada para obtener el presente trabajo se encontraron varias páginas web en la red mundial de datos “Internet” que nos explican claramente los conceptos necesarios en el tema “Diodos” pero que por su importancia en contenido y alto grado de sencillez se escogieron dos 2 de ellas en este Anexo.

Al finalizar la lectura podremos ver que algunos de los conceptos que se explican ya se han descrito anteriormente con la bibliografía anota, pero que igualmente representan un aporte importante para la mejor comprensión del tema en discusión.

BIBLIOGRAFIA

Electrónica Básica, Diodos Semiconductores, Pag. 19-34

Van Valkenburgh, Nooger & Neville, Inc

Ed. Bell S.A.

Electrónica General, Tomo I, Tecnología Electrónica, Semiconductores, Pag. 251-260.

Luis Gómez de Tejada y Sanz

Ed. PARANINFO S.A.

Internet

http://www.ieec.uned.es/ieec/documentos/ffi-ieec/apl_html/capit_11/c1.htm

Internet

http://www.ieec.uned.es/ieec/documentos/ffi-ieec/apl_html/capit_11/c111.htm

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