CAPÍTULO COMPONENTES EL DIODO SEMICONDUCTORES: 1.1 INTRODUCCIÓN

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1 CAPÍTULO 1 COMPONENTES SEMICONDUCTORES: EL DIODO 1.1 INTRODUCCIÓN E n el capítulo 5 del tomo III se presentó una visión general de los componentes semiconductores básicos más frecuentes en electrónica, en cuanto a simbología y función básica realizada, así como una mínima y necesaria introducción a la teoría física de los semiconductores. En este tomo, prosiguiendo en la misma línea, se empieza haciendo una ampliación del tema de los diodos, ya que éste es uno de los componentes electrónicos más utilizados y, además, su base (unión semiconductora P-N) forma parte de la constitución de los demás componentes electrónicos (transistores, tiristores, circuitos integrados, etc.)

2 ANTONIO HERMOSA DONATE 1.2 EL DIODO En la figura 1.1 se representan la constitución física, la simbología y el modelo práctico de un diodo rectificador de silicio de los más utilizados, el 1N4007. Figura 1.1 Constitución física, simbología y modelo práctico de un diodo. Como se sabe, la función básica que realiza el diodo es dejar circular la corriente en un solo sentido (el que ya sugiere su simbología), y la principal aplicación práctica de dicha función es la conversión de corriente alterna (ca) en corriente continua (cc); los circuitos que realizan esta función se denominan rectificadores Polarización del diodo Con base en la conducción y no conducción del diodo aparecen dos conceptos que se denominan polarización directa y polarización inversa Polarización inversa El diodo está en polarización inversa cuando el terminal cátodo tiene polaridad positiva con respecto al terminal ánodo; en este caso, el diodo no permite el paso de la corriente y se comporta como un aislante (fig. 1.2). Pero si se supera un cierto valor de tensión, entonces se produce un efecto de conducción brusca que puede deteriorar el diodo. 2

3 COMPONENTES SEMICONDUCTORES: EL DIODO Figura 1.2 No hay circulación dede corriente El diodo en polarización inversa; no permite la circulación de la corriente Polarización directa El diodo permite la circulación de corriente sólo cuando se encuentra polarizado en forma directa, que es cuando el terminal ánodo tiene polaridad positiva con respecto al terminal cátodo; en este caso, se dice que el diodo se comporta como un conductor, y se produce una circulación de corriente por el circuito en el sentido (convencional) que ya sugiere el símbolo del diodo (fig. 1.3). Figura 1.3 El diodo en polarización directa se comporta como un interruptor cerrado (conductor). 3

4 ANTONIO HERMOSA DONATE La tensión que aparece entre los terminales cuando el diodo conduce se denomina caída directa. La tensión mínima para que empiece a conducir (tensión umbral) es de unos 0,7 V, y su valor aumenta un poco conforme aumenta la intensidad, pudiéndose situar en alrededor de 1 V en condiciones normales de trabajo. Por ejemplo, según datos del fabricante, en el popular diodo 1N4001 la tensión directa puede llegar a 1,1 V para la intensidad (máxima) de 1 A. Pero en los diodos de pequeña y mediana potencia, a efectos prácticos, se considera una caída directa típica de 0,7 V. Teniendo en cuenta que en el diodo en conducción aparece una tensión típica de unos 0,7 V, la carga siempre recibe una tensión menor que la fuente de tensión; por ello, en la bombilla habrá unos 12 0,7 = 11,3 V. Y en el supuesto de que la resistencia del filamento fuera de 40, la intensidad que circularía por el circuito sería de: Siendo la potencia en la bombilla: De no tener en cuenta la caída directa del diodo, la intensidad y la potencia en la bombilla serían: Así, en la práctica, se puede resumir que la caída directa del diodo hace que la carga reciba alrededor de 1 V menos y esto también supone una pequeña potencia que se pierde en el diodo (disipada en forma de calor). En muchas aplicaciones se suele despreciar las consecuencias de la caída directa del diodo, pero en otras puede ser necesario tenerla en cuenta. Por ejemplo, en una aplicación como la de la figura 1.3, si la tensión de entrada fuera de 100 V, se puede despreciar 1 V de caída directa del diodo, porque la carga (bombilla, en este caso) recibiría 99 V en vez de 100 V; la pérdida sólo sería de 1%. En cambio, si la tensión de entrada fuera de 5 V, la carga recibiría 4 V, lo cual sería una pérdida de 20% CARACTERÍSTICAS DEL DIODO Además de unas características prácticas que resulta necesario conocer, en especial sobre la intensidad máxima directa (I F ) y la tensión inversa máxima (V R ), hay otros datos que también resultan de gran interés, siendo uno de ellos la curva característica Curva característica del diodo Polarización directa Cuando el diodo se polariza en forma directa aparece una curva que nos da los valores de intensidad en función de la tensión entre ánodo y cátodo, que se representa en la

5 COMPONENTES SEMICONDUCTORES: EL DIODO figura 1.4 (diodo de silicio). El circuito práctico con el cual es posible experimentarla se muestra en la figura 1.5. Figura 1.4 Curva característica típica de un diodo (silicio) en polarización directa. Hasta que la tensión no llega a unos 0,6 o 0,7 V (tensión umbral) no se empieza a apreciar una circulación de intensidad notable. A partir de dicha tensión la intensidad aumenta en forma brusca; pequeños aumentos de tensión dan lugar a grandes aumentos de intensidad. Para el valor nominal de intensidad de funcionamiento la tensión (caída directa) es de aproximadamente 1 V, en diodos rectificadores de mediana potencia (por ejemplo, el 1N4007). El diodo no ofrece pues un valor fijo de resistencia al paso de la corriente; su resistividad depende de la tensión que tenga aplicada. Entre 0 V y unos 0,7 V (tensión umbral), su resistividad es muy elevada (por ello no se aprecia casi circulación de corriente); a partir de la tensión umbral su resistencia empieza a hacerse muy baja y por ello la intensidad aumenta bruscamente. Figura 1.5 Ejemplo de circuito que permite hacer la experimentación de la polarización directa. 5

6 ANTONIO HERMOSA DONATE El diodo no tiene una resistencia lineal; su resistencia depende de la tensión que tiene aplicada o, lo que es equivalente, de la intensidad que circula. Esto se puede comprobar fácilmente mediante el polímetro, utilizando la medida de resistencia (Ω). Seleccionando la escala x 1 y situando las puntas de manera que el diodo se encuentre polarizado en forma directa, se observará un cierto valor de resistencia (bajo); pero si se cambia a la escala x 100 marcará un valor de resistencia diferente, mayor que el anterior. Esto es debido, a que el polímetro lleva una pila interna para su funcionamiento, que es lo que hace que pueda circular una pequeña intensidad a través de las puntas cuando se pone como óhmetro (Ω), y ello permite determinar el valor de la resistencia a medir. Pero la intensidad que puede circular es diferente según la escala seleccionada (x 1, x 10, ); cuanto mayor es la escala, menor es la intensidad que puede circular entre las puntas del tester, por lo cual la resistencia del diodo sale diferente según la escala que se disponga. Polarización inversa Como se sabe, cuando el diodo se polariza en forma inversa (negativo en el ánodo y positivo en el cátodo), a nivel práctico, éste se comporta como un circuito abierto, es decir, no circula corriente. Pero realmente sí existe una cierta corriente, que por ser tan pequeña no se considera a efectos prácticos. Dicha corriente se denomina corriente inversa de fugas (I R ), y es muy dependiente de la temperatura. Su valor es del orden de na en el silicio, y de ma en el germanio. La corriente de fugas está formada por portadores minoritarios, debido a la ruptura de enlaces covalentes, y es muy sensible a los cambios de temperatura; su valor se duplica por cada 10 o C de incremento de la temperatura, aproximadamente. Y su valor casi no varía aunque aumente la tensión (los portadores minoritarios dependen especialmente de la temperatura). Pero es muy importante saber que si la tensión aumenta a ciertos valores, su energía puede acelerar tanto los portadores minoritarios que al chocar con otros enlaces pueden romper nuevos enlaces covalentes; este efecto puede hacer que se alcance un elevado valor de corriente que puede llegar a destruir el diodo. El valor de tensión inversa que puede hacer esto, se denomina tensión inversa de ruptura, y tiene su utilidad práctica en unos diodos llamados Zener. El gráfico del diodo que representa esto se muestra en la figura 1.6, junto con el circuito que puede permitir su experimentación. Al ser de tan bajo valor la intensidad, con el circuito de experimentación que se muestra, lo más normal es que no se aprecie un valor notable; pero así comprobamos que realmente su valor es muy bajo. La curva característica inversa nos da cuenta de la corriente inversa en la función de la tensión inversa: (I R = f (V R ). Aunque, en teoría, la corriente inversa está influenciada exclusivamente por la temperatura, en la práctica (debido a ciertas imperfecciones en la estructura física del diodo), sí existe una pequeña dependencia con respecto a la tensión, lo cual se muestra en la curva. Las curvas características en polarización directa e inversa dan lugar a una curva global representativa del comportamiento del diodo, que se muestra en la figura 1.7. Dicha curva, para ir introduciéndose en la cuestión práctica, se ha realizado 6

7 COMPONENTES SEMICONDUCTORES: EL DIODO con base en el diodo rectificador 1N4007, que es uno de los diodos comerciales más utilizados. Hay que tener en cuenta que las escalas de los diferentes cuadrantes no son iguales. En el primer cuadrante (polarización directa) la tensión directa (V F ) se da en voltios (V), y en la zona media normalmente se sitúa 1 V (que es la tensión aproximada de caída directa en régimen de funcionamiento, para una intensidad de 1 A). De hecho, el fabricante indica como valor máximo de caída directa 1,1 V (para toda la gama de diodos 1N4001-1N4007). _ + Figura 1.6 a) Curva característica típica de un diodo en polarización inversa; no conduce (pero si se sobrepasa cierto valor de tensión, se inicia una conducción que puede llegar a destruir el diodo). b) Ejemplo de circuito práctico que puede permitir su experimentación. 7

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