El diodo. Funcionamiento y aplicaciones. Oriol González Llobet PID

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1 El diodo Funcionamiento y aplicaciones Oriol González Llobet PID

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3 CC-BY-SA PID El diodo Índice Introducción Objetivos Materiales semiconductores. La unión PN Estructura del átomo Los semiconductores Electrones libres y huecos Dopaje La unión PN Recapitulación El diodo. Comportamiento y modelización Polarización de la unión PN La unión PN en polarización directa La unión PN en polarización inversa El diodo Relación tensión-corriente de un diodo Expresión matemática de la relación tensión-corriente de un diodo Modelización del diodo El diodo ideal El diodo con tensión umbral El diodo por tramos lineales El diodo con tensión de ruptura El diodo en pequeña señal Resistencia estática Resistencia dinámica Recapitulación Análisis de circuitos con diodos Análisis de circuitos con el diodo ideal Análisis de circuitos con el diodo con tensión umbral Análisis de circuitos con el diodo por tramos lineales Recapitulación Aplicaciones de los diodos El diodo como rectificador El rectificador de media onda El rectificador de onda completa El diodo como limitador de tensión

4 CC-BY-SA PID El diodo 4.3. El diodo Zener como regulador de tensión Recapitulación Otros tipos de diodo El fotodiodo El LED Recapitulación Problemas resueltos Enunciados Resolución Resumen Ejercicios de autoevaluación Solucionario Glosario Bibliografía

5 CC-BY-SA PID El diodo Introducción El diodo es un dispositivo electrónico que está muy presente en nuestra vida, sin que seguramente nos demos cuenta de ello. Lo encontramos en numerosos aparatos que nos rodean, como televisores, amplificadores de sonido, ordenadores, etc. Básicamente, el diodo es un componente que deja pasar la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el contrario. En este módulo analizaremos más a fondo su comportamiento con objeto de poder analizar los circuitos electrónicos que contienen diodos. En el primer apartado veremos que la base física de los diodos son los materiales semiconductores, más concretamente la unión de dos tipos de semiconductores conocidos como P y N. Por consiguiente, empezaremos por explicar y analizar las características que tienen. Después estudiaremos en el apartado 2 cómo funciona un diodo y modelizaremos su comportamiento en los circuitos eléctricos mediante unos modelos simplificados. Una vez visto el funcionamiento del diodo, en el apartado 3 veremos cómo podemos aplicar los modelos de diodo estudiados para analizar circuitos que lo incluyan. En el apartado 4 analizaremos algunas configuraciones de circuitos con diodos que se utilizan habitualmente para rectificar, limitar o regular la tensión que llega a un circuito. Finalmente, en el apartado 5 estudiaremos algunos tipos de diodos con características especiales, como el fotodiodo o el LED que, si bien se utiliza desde hace mucho tiempo, ha experimentado últimamente un aumento de sus aplicaciones en pantallas, televisores, etc.

6 CC-BY-SA PID El diodo Objetivos Los objetivos principales de este módulo son los siguientes: 1. Entender el comportamiento de los materiales semiconductores y de la unión PN. 2. Entender qué es y cómo se comporta un diodo. 3. Entender los diversos modelos simplificados que facilitan el análisis de los circuitos con diodos. 4. Aprender a analizar circuitos que contienen diodos. 5. Conocer cómo se aplica el diodo en circuitos rectificadores, limitadores y reguladores. 6. Conocer el fotodiodo y su funcionamiento. 7. Entender cómo se comporta un diodo LED.

7 CC-BY-SA PID El diodo 1. Materiales semiconductores. La unión PN. El mundo de la electrónica debe mucho al descubrimiento de los materiales semiconductores. Antes de que se descubrieran solo se conocían dos tipos de materiales según cuál fuera su comportamiento eléctrico: Los materiales aislantes, que no conducen la electricidad. Los materiales conductores, que permiten el paso de la corriente eléctrica. Con la llegada de los semiconductores se produjo un importante avance, ya que en ellos se puede regular la corriente electrica que pueden conducir. Ello permitió la aparición de nuevos tipos de dispositivos, que son la base de la electrónica actual. En este apartado veremos qué son y cómo se comportan los materiales semiconductores. Para comenzar, en el subapartado 1.1 veremos cómo es la estructura de un átomo, de qué partículas se compone y cómo se distribuyen. En el subapartado 1.2 veremos qué son los materiales semiconductores. Posteriormente, en el subapartado 1.3 estudiaremos cuáles son las partículas portadoras (electrones libres y huecos) y cómo se produce la corriente eléctrica en un semiconductor. Posteriormente, en el subapartado 1.4 veremos qué es el dopaje y cómo nos permite modificar las características de los semiconductores para que puedan facilitar la conducción en estos materiales. Por último, en el subapartado 1.5 estudiaremos la unión PN, en la que se fundamenta el diodo. Qué aprenderemos? En este capítulo aprenderéis lo siguiente: Cómo es la estructura del átomo y cómo se unen los átomos entre sí para formar un material sólido. Qué son las bandas y cómo afectan a la conducción. Qué son los materiales semiconductores y cómo conducen la corriente eléctrica. Qué son las partículas portadoras (electrones libres y huecos) y cómo producen corriente eléctrica. Cómo podemos modificar la conductividad de un semiconductor por medio del dopaje. Qué es la unión PN. Qué supondremos? Supondremos que tenéis conocimientos básicos de los campos eléctricos. Más concretamente:

8 CC-BY-SA PID El diodo Que conocéis las interacciones básicas entre las partículas eléctricas. Que conocéis el comportamiento básico de las partículas eléctricas en presencia de un campo eléctrico. Comencemos por ver cómo es la estructura interna de un átomo Estructura del átomo Toda la materia que nos rodea forma agrupaciones que pueden ser muy grandes (planetas, estrellas, etc.) o muy pequeñas (arena, polvo, etc.). Pero tanto si la materia es pequeña como si es grande, podemos dividirla en partes cada vez más pequeñas hasta llegar a un límite.. Propiedades químicas El átomo es la unidad más pequeña en que se puede dividir la materia sin que pierda sus propiedades químicas. Las propiedades químicas son las que determinan cómo se agrupan los elementos o los compuestos químicos. El átomo, por su parte, está formado por un núcleo, que está constituido por elementos con carga positiva (protones) y elementos sin carga (neutrones). El número de protones que contiene el núcleo es lo que identifica sus propiedades químicas y a qué elemento pertenece. Así, un núcleo de hidrógeno es el que tiene un protón en su núcleo, mientras que un núcleo de oxígeno tiene ocho. En un átomo podemos definir dos parámetros muy importantes: El número atómico (representado como una Z ) corresponde al número de protones de un átomo y, por tanto, define el elemento al que corresponde el átomo. El número másico (representado por la letra A ) es la suma del número de protones y neutrones de un átomo. En los átomos también se encuentran partículas de carga negativa (electrones) que orbitan alrededor del núcleo. Un elemento neutro tiene el mismo número de electrones que de protones.. En resumen, un átomo contiene tres tipos de partículas: Los protones, con carga positiva, se encuentran en el núcleo y determinan el elemento químico al que corresponde el átomo. Los neutrones, que también están en el núcleo junto con los protones, no tienen carga eléctrica. Los electrones tienen carga eléctrica negativa y se encuentran orbitando alrededor del núcleo.

9 CC-BY-SA PID El diodo En los átomos, los electrones están ligados a su núcleo, debido a la fuerza eléctrica de atracción que se produce entre los protones (que tienen carga positiva) y los electrones (que tienen carga negativa). En la figura 1 podéis ver una representación esquemática de un átomo de helio, que tiene dos protones en su núcleo. Observad en la misma figura que el núcleo del átomo también contiene dos neutrones y que hay dos electrones orbitando a su alrededor. Esta representación corresponde a un modelo antiguo del átomo, pero es útil para ver cómo están dispuestas las diferentes partículas en el átomo. Fuerza eléctrica Cuando acercamos dos cargas eléctricas, entre ellas se produce una fuerza eléctrica. Esta fuerza puede ser de repulsión (si las dos cargas son del mismo signo) o de atracción (si las cargas son de signo contrario). Figura 1. Esquema de la estructura de un átomo de helio Figura 1 Esquema de la estructura de un átomo de helio con un núcleo que tiene dos protones y dos neutrones, a cuyo alrededor orbitan dos electrones. Los electrones orbitan alrededor del núcleo dispuestos en niveles discretos de energía. En los átomos, los electrones tienden a ocupar los niveles de energía más baja. A medida que van ocupando los niveles de más baja energía, los electrones del átomo se van situando en los niveles superiores. Cuando se unen diversos átomos para formar un sólido, los electrones se van situando en niveles de energía nuevos, de manera que cuantos más átomos se unan, más niveles de energía habrá. Cuando el número de átomos que se han unido es muy grande, ya no tiene sentido hablar de niveles discretos de energía (debido a su gran número), pero observamos que los electrones se sitúan de forma agrupada en unos ciertos intervalos de energía. Estos intervalos de energía en los que se sitúan los electrones se denominan bandas. En la figura 2 podéis ver una distribución esquemática de las bandas en las que se sitúan los electrones cuando tenemos un sólido. Fijaos en que las bandas en las que se distribuyen los electrones no son contínuas, sino que hay una cierta separación (en términos de energía) entre las bandas. Niveles discretos de energía El hecho de que los electrones se sitúen en niveles discretos (en contraposición a niveles continuos ) de energía significa que el valor de la energía que tienen no puede ser uno cualquiera, sino que son una serie de valores determinados. Bandas Aunque, esquemáticamente, muchas veces identificamos las bandas con zonas a una cierta distancia del núcleo, es importante recordar que las bandas definen estados de energía.

10 CC-BY-SA PID El diodo Figura 2. Esquema de la distribución de las bandas Energía Banda de conducción Banda de valencia Bandas de energía inferior Figura 2 Distribución de las bandas en un sólido en el que están identificadas la banda de valencia y la de conducción. En esta figura se hace mención, además, de dos bandas muy importantes:. La banda de valencia es la banda de energía más elevada en la que se sitúan los electrones cuando no se aplica sobre el material ninguna energía externa. En esta banda los electrones están ligados al átomo. La banda de conducción es una banda de energía superior a la de valencia. En la banda de conducción los electrones se pueden mover libremente y no están ligados a ningún átomo. Para que un electrón de un átomo abandone la banda de valencia y pase a la de conducción es preciso aplicarle una cierta energía, correspondiente a la separación que hay entre dichas dos bandas. Las bandas con energía inferior a la de valencia no afectan a la conducción, por lo que no las tendremos en cuenta de aquí en adelante. En este subapartado hemos visto cuáles son los elementos que componen los átomos (protones, neutrones y electrones), y que los electrones se sitúan en estados discretos de energía. Cuando se unen muchos átomos para formar un material sólido, el número de estados se vuelve muy grande, y observamos que los electrones se agrupan en bandas de energía. De estas hemos destacado la de valencia y la de conducción. En el próximo subapartado veremos qué son los materiales semiconductores.

11 CC-BY-SA PID El diodo 1.2. Los semiconductores Hay materiales que conducen la corriente eléctrica mejor que otros. En función de su comportamiento con respecto a la corriente eléctrica, tenemos tres tipos de materiales: Los materiales aislantes no dejan pasar la corriente eléctrica. Los materiales conductores (generalmente, los metales) tienen muchos electrones en la banda de conducción, y estos electrones se mueven libremente. Los materiales semiconductores tienen unas características especiales que nos permiten regular la corriente que circula a través de ellos. Un material será de un tipo u otro dependiendo de cómo tenga las bandas de valencia y conducción. En los materiales conductores, la banda de valencia y la de conducción se superponen parcialmente. En los materiales aislantes, la banda de valencia y la de conducción están muy alejadas (en términos de energía), de manera que hay que aportar mucha energía a los electrones en la banda de valencia para que puedan pasar a la banda de conducción. En cambio, en los materiales semiconductores las bandas de valencia y de conducción están más próximas, de manera que no es preciso aplicar mucha energía para que los electrones en la banda de valencia pasen a la de conducción. En la figura 3 podéis ver esta distribución de las bandas de valencia y conducción en los materiales conductores, aislantes y semiconductores. Fijaos en la distancia en términos de energía que hay entre la banda de valencia (la banda superior de color gris) y la de conducción (la banda de color blanco). Figura 3. Esquema de la distribución de las bandas en los materiales conductores, aislantes y semiconductores Figura 3 Energía Conductor Aislante Semiconductor En los materiales conductores, la banda de valencia y la de conducción se superponen. En los materiales aislantes están muy distanciadas (en términos de energía) entre sí. En los materiales semiconductores están relativamente próximas. Silicio y germanio En este módulo centraremos nuestro estudio en los materiales semiconductores. Los elementos semiconductores más utilizados son el silicio (uno de los elementos más presentes en la corteza terrestre) y el germanio. El silicio (Si) tiene un número atómico de 14, y representa un 25,7 % del peso de la corteza terrestre. El germanio (Ge) tiene un número atómico de 32.

12 CC-BY-SA PID El diodo Los átomos en los materiales semiconductores están dispuestos formando una red cristalina. Una red cristalina es una estructura muy simétrica y periódica en el espacio en la que cada átomo tiene una posición determinada. En el próximo subapartado se verá qué son los electrones libres y los huecos en los que se basa la conducción de corriente en los materiales semiconductores Electrones libres y huecos En los materiales semiconductores, los átomos tienen los electrones situados en la banda de valencia. Cada electrón ocupa una posición determinada en la banda de valencia. Cuando a un electrón que se encuentra en esta banda se le aplica una cierta energía puede pasar a la banda de conducción.. Los electrones que se encuentran en la banda de conducción se denominan electrones libres, y en esta banda no están ligados a ningún átomo. En la figura 4 podéis observar cómo, en la banda de valencia, cada electrón (círculo negro) ocupa una posición (círculo blanco). También podéis ver cómo un electrón, al que se le ha aplicado la energía necesaria, ha dejado la banda de valencia para pasar a la de conducción, donde se puede mover libremente. En esta figura solo están dibujadas las bandas de valencia y de conducción porque, como hemos comentado antes, las bandas inferiores no afectan a la conducción. Figura 4. Bandas de valencia y de conducción Figura 4 Banda de conducción A un electrón en banda de valencia se le ha aplicado la energía necesaria para que pase a la banda de conducción. Banda de valencia Electrón Posición Al pasar a la banda de conducción, el electrón ha dejado una posición vacía. El átomo que ha perdido ese electrón se queda con un electrón menos que su número de protones, de manera que tiene una carga eléctrica global igual a la de un electrón, pero con signo positivo.

13 CC-BY-SA PID El diodo El átomo que ha quedado con carga positiva ejerce una fuerza de atracción sobre los electrones que tiene cerca. Estos electrones tenderán a ocupar la posición vacía que había quedado en este átomo. En muchos casos, esa posición la ocupará algún electrón de un átomo cercano, pero entonces dejará una posición vacía en el átomo que ocupaba hasta entonces. Esta posición vacía también tenderá a estar ocupada por otro electrón, y así sucesivamente. En condiciones normales, tanto el movimiento de electrones libres en la banda de conducción como el de electrones en la banda de valencia para ocupar posiciones vacías sucesivas se produce en todas las direcciones, de manera aleatoria. Por tanto, no se forma una corriente eléctrica. Sin embargo, si el material semiconductor está atravesado por un campo eléctrico (como el que genera una fuente de tensión conectada a los extremos del material) los electrones se moverán en esta dirección concreta, pero en sentido contrario, ya que son cargas negativas. Corriente eléctrica La corriente eléctrica mide la cantidad de cargas positivas que circulan por un material por unidad de tiempo. Como los electrones tienen carga eléctrica negativa, la corriente eléctrica va en sentido contrario a su movimiento. En la figura 5 podéis ver un esquema unidimensional del movimiento de los electrones en un material semiconductor en presencia de un campo eléctrico. Figura 5. Movimiento de los electrones en presencia de un campo eléctrico Campo eléctrico Banda de conducción Sentido del campo eléctrico Un campo eléctrico que presente una cierta dirección ejerce una fuerza eléctrica sobre las cargas positivas en su mismo sentido. En cambio, ejercerá una fuerza eléctrica en sentido contrario sobre las cargas negativas Banda de valencia Figura 5 En presencia de un campo eléctrico, los electrones se mueven en sentido contrario a este campo. Electrón Posición Observad que, en la figura 5, se producen dos tipos de movimientos: Los electrones libres de la banda de conducción se mueven libremente en dirección contraria al campo eléctrico. Los electrones de la banda de valencia van ocupando sucesivamente las posiciones que van quedando vacías. Este movimiento también se produce en sentido contrario al campo eléctrico. Fijaos en que este segundo tipo de movimiento equivale a considerar que en la banda de valencia, en vez de tener electrones sucesivos que se mueven en

14 CC-BY-SA PID El diodo sentido contrario al campo eléctrico, tenemos una partícula (la posición vacía) que se mueve en el mismo sentido que el campo eléctrico. En la figura 6 podéis ver, en la banda de valencia, este movimiento aparente de la posición vacía, que llamaremos hueco. Figura 6. Movimiento aparente de la posición libre en la banda de valencia Campo eléctrico Banda de conducción Figura 6 El movimiento de electrones en banda de valencia en sentido opuesto al campo eléctrico es equivalente al movimiento de un hueco en el mismo sentido del campo. Banda de valencia Electrón Posición. Los huecos son las posiciones vacías que han dejado los electrones en la banda de valencia. Aunque físicamente un hueco no es más que la posición donde había un electrón, eléctricamente tiene la consideración de partícula que posee la misma carga que un electrón, pero con signo positivo. Ya hemos visto hasta ahora dos efectos que confirman esta consideración del hueco como partícula eléctrica positiva: Cuando un electrón deja la banda de valencia, deja en su lugar un hueco. Como hemos visto, este hueco atrae a los electrones de los átomos próximos, como haría una partícula eléctrica positiva. Cuando tenemos un campo eléctrico en un material semiconductor, en la banda de valencia se produce un movimiento sucesivo de electrones en sentido contrario al campo eléctrico. Este movimiento es equivalente a un movimiento aparente de un hueco en el mismo sentido que el campo eléctrico, como haría una partícula eléctrica positiva. Tanto el movimiento de electrones libres en la banda de conducción como el de huecos en banda de valencia en presencia de un campo eléctrico conforman una corriente eléctrica en el mismo sentido que el campo. Sentido de la corriente eléctrica La corriente eléctrica es, por definición, el movimiento de cargas positivas. Por tanto, en el caso de los semiconductores, la corriente eléctrica tiene el mismo sentido que el movimiento de los huecos y sentido contrario al movimiento de los electrones libres.

15 CC-BY-SA PID El diodo. En los materiales semiconductores la corriente eléctrica se puede producir por el movimiento de electrones libres o por el de huecos. Denominamos portadoras las partículas (electrones libres o huecos) que en un material semiconductor producen la corriente eléctrica. En los materiales en los que hay un flujo de electrones libres se crea una corriente eléctrica en sentido contrario a estos electrones. En cambio, en los materiales en los que hay un movimiento de huecos, la corriente eléctrica generada tiene el mismo sentido que los huecos que se mueven. Hasta aquí hemos visto qué son los materiales semiconductores y cómo conducen la corriente eléctrica. En el siguiente subapartado veremos cómo podemos modificar, mediante el dopaje, sus características eléctricas para controlar la conducción en ellos Dopaje En el subapartado 1.3 hemos visto cómo se produce la corriente eléctrica en un semiconductor a partir del movimiento de los electrones libres o de los huecos. De todos modos, se ha de tener en cuenta que, para llegar a producir esta corriente eléctrica, hemos tenido que aplicar una cierta energía a un electrón para que dejara la banda de valencia y pasara a la de conducción y conseguir de esta manera obtener un hueco. Además, para obtener una corriente eléctrica suficientemente importante nos interesa tener un número considerable de electrones libres o de huecos en movimiento. Si no aplicamos energía a los electrones de valencia, conseguiremos un material que tendrá todas las posiciones de la banda de valencia ocupadas por un electrón (es decir, no tendremos ningún hueco) y con la banda de conducción vacía (sin ningún electrón libre), y no se podrá producir corriente eléctrica. En estas condiciones, podemos sustituir uno de los átomos del material semiconductor, colocando en su posición de la red cristalina un átomo de un material diferente, que tenga un electrón menos. Eso dejará en el material un hueco, que se podrá mover en presencia de un campo eléctrico. Por otro lado, también podemos sustituir ese átomo por otro que tenga un electrón más, que se podrá mover libremente en la banda de conducción si le aplicamos un campo eléctrico. Si, en vez de sustituir un solo átomo, lo hacemos con varios, estaremos favoreciendo la conducción eléctrica (de electrones libres o de huecos, según el tipo de material que añadamos) en el semiconductor. Esta es la base del dopaje, como veremos en este subapartado. Una de las ventajas de trabajar con semiconductores es que podemos modificar su comportamiento eléctrico si le añadimos una pequeña cantidad de

16 CC-BY-SA PID El diodo átomos diferentes al semiconductor, con el objetivo de favorecer la presencia de portadores, ya sean electrones libres o huecos.. Los átomos que se añaden al semiconductor para aumentar la presencia de portadores se denominan impurezas. Llamamos dopaje al proceso de añadir a un material semiconductor impurezas que contienen electrones libres o huecos. De un material al que se ha inyectado impurezas se dice que está dopado. Al dopar un material semiconductor, estamos aumentando el número de electrones libres o de huecos que contiene. Al tener más densidad de portadores, aumenta la conductividad de dicho material. Es decir, favorecemos el paso de corriente a través de él. Hay dos tipos de dopaje, dependiendo del tipo de impurezas que añadamos a un material semiconductor: En el dopaje de tipo P añadimos al semiconductor impurezas con huecos. En el dopaje de tipo N añadimos al semiconductor impurezas con electrones libres. Según el tipo de dopaje que se haya aplicado a un material semiconductor también se habla de semiconductores de tipo P y semiconductores de tipo N, respectivamente. Impurezas Para obtener un semiconductor de tipo P, el material más utilizado para dopar el silicio (Si) es el boro (B). Para obtener un semiconductor de tipo N, los materiales más utilizados para dopar el silicio (Si) son el fósforo (P) y el arsénico (As).. En los semiconductores de tipo P la corriente eléctrica la produce de forma mayoritaria el movimiento de huecos. En cambio, en los semiconductores de tipo N la corriente eléctrica la produce mayoritariamente el movimiento de electrones libres. Para dopar un material, se añade un número de impurezas muy reducido. Por ejemplo, se dice que un material tiene un dopaje alto o fuerte cuando por cada átomos de semiconductor hay un átomo de impureza. En los dopajes normales, el número de átomos de impurezas es aún menor. En el módulo 3 veréis cómo se utilizan semiconductores con diferentes densidades de dopaje para obtener algunos dispositivos electrónicos, como el transistor. En este subapartado hemos visto cómo, por medio del dopaje, podemos modificar las características eléctricas de los materiales semiconductores. En el siguiente subapartado estudiaremos el efecto que se produce en los semiconductores si unimos un material de tipo P con otro de tipo N.

17 CC-BY-SA PID El diodo 1.5. La unión PN. Una unión PN es el resultado de unir dos materiales semiconductores, uno con un dopaje de tipo P y el otro con un dopaje del tipo N. En la figura 7 podemos ver qué pasa cuando unimos un semiconductor de tipo P con otro de tipo N para formar una unión PN. Para simplificar, en esta figura solo hemos representado las partículas portadoras, es decir, los huecos (con un círculo blanco) y los electrones libres (con un círculo negro). Recordad que los electrones libres se mueven en la banda de conducción, mientras que los huecos lo hacen en la banda de valencia. Figura 7. Distribución de los portadores al formarse una unión PN Tipo P Tipo N Figura 7 a) Distribución de los portadores al formarse una unión PN. Unión PN b) c) En la figura 7a podéis observar la distribución de los portadores en los semiconductores P y N antes de unirlos. Como hemos visto en el subapartado 1.4, los portadores mayoritarios en el semiconductor P son los huecos (círculos blancos), mientras que en el semiconductor N lo son los electrones libres (círculos negros). Es importante tener en cuenta que el semiconductor de tipo P, aunque la mayoría de los portadores son huecos, es eléctricamente neutro. No tiene una carga global positiva. De forma análoga, el semiconductor de tipo N también es neutro y no tiene carga global negativa. Cuando unimos los dos semiconductores, se produce un proceso de difusión entre sus respectivos portadores. Es decir, como se puede ver en la figura 7 b), en las zonas próximas a la unión de los dos materiales, los electrones libres del semiconductor N se mueven hacia el semiconductor P. Entonces, los huecos

18 CC-BY-SA PID El diodo de la región P se mueven hacia la región N. En las dos regiones se produce un proceso de recombinación.. La recombinación es el proceso por el que un electrón libre (que se encuentra en la banda de conducción) pasa a la banda de valencia y se une con un hueco. Dicho electrón queda, pues, ligado al átomo en la banda de valencia. Fijaos en que, cuando un electrón libre se recombina con un hueco, obtenemos un electrón en banda de valencia, que está ligado al átomo y no conduce corriente eléctrica. Es decir, se pierden dos portadores eléctricos (el hueco y el electrón libre que se han recombinado). En la zona N, algunos de sus electrones libres se recombinan con los huecos que provienen de la zona P. Entonces, en la zona P también se recombinan algunos de sus huecos con electrones libres provinientes de la zona N. Es decir, mediante esta recombinación el semiconductor P pierde huecos y el semiconductor N pierde electrones libres, que pasan a ser electrones en la banda de valencia. El semiconductor P, que al principio era eléctricamente neutro, ha perdido huecos (cargas positivas) en la zona próxima a la unión. De este modo, mientras se va produciendo la difusión, en esta zona se va generando una carga global negativa. Dicha carga ejerce una fuerza de repulsión sobre los electrones libres del semiconductor N que va frenando el proceso de difusión. En el semiconductor N hay un proceso análogo. Al principio, también era eléctricamente neutro, pero ha ido perdiendo electrones libres (cargas negativas) en la zona próxima a la unión. A medida que se va produciendo la difusión, en las zonas próximas a la unión del semiconductor N va quedando una carga global positiva que ejerce una fuerza de repulsión sobre los huecos del semiconductor P. Este hecho también frena el propio proceso de difusión. El proceso de difusión continúa hasta que se llega a un estado de equilibrio, que podéis ver en la figura 7 c. Fijaos en que en la zona central de la unión PN no hay portadores, pero ha quedado con carga eléctrica (negativa en el semiconductor P y positiva en el semiconductor N). Esta zona cargada, pero libre de portadores, se denomina zona de carga espacial (ZCE). Así pues, en esta zona de carga espacial aparece un campo eléctrico que provoca una diferencia de potencial entre la zona N y la zona P. Esta tensión que aparece, llamada barrera de potencial, es pequeña, generalmente de unas cuantas décimas de voltio, aunque su valor depende del material semiconductor utilizado. La barrera de potencial, en ausencia de fuentes de tensión

19 CC-BY-SA PID El diodo externas, evita que los electrones libres de la zona N se muevan hacia la zona P y que los huecos de la zona P se puedan mover hacia la zona N. En la figura 8 podéis ver la unión PN una vez llegada al equilibrio, tal como ya habíamos visto en la figura 7 c. Debajo de la unión PN podéis observar la diferencia de potencial que forma la barrera de potencial (marcada como V γ), que se produce entre las zonas P y N de la unión PN. Figura 8. Barrera de potencial generada en la unión PN una vez se llega al equilibrio Figura 8 Una vez se llega al equilibrio, en la unión PN se genera la barrera de potencial. V V γ X En este apartado hemos visto qué son los materiales semiconductores. Estos materiales conducen la corriente eléctrica mediante el movimiento de electrones libres en la banda de conducción o el de huecos en la banda de valencia. Por medio del dopaje, podemos regular su conductividad. Finalmente, hemos visto que podemos unir dos materiales semiconductores, uno de tipo P y el otro de tipo N, para obtener la unión PN Recapitulación Qué hemos aprendido? En este capítulo habéis aprendido lo siguiente: La estructura interna del átomo. Cómo se unen los átomos entre sí para formar un material sólido. Las bandas, las más importantes de las cuales son la de valencia y la de conducción. En los materiales semiconductores, la corriente eléctrica se produce por el movimiento de electrones libres y de huecos. Por medio del dopaje podemos modificar la conductividad de un material semiconductor. La unión PN y su estructura física y eléctrica. A continuación veremos la aplicación más immediata de la unión PN, el diodo.

20 CC-BY-SA PID El diodo 2. El diodo. Comportamiento y modelización. En el primer apartado de este módulo hemos visto qué son los materiales semiconductores y cómo conducen la corriente eléctrica. También habéis aprendido que se pueden modificar por medio del dopaje para facilitar la conducción de electricidad. Por último, habéis visto qué ocurre cuando unimos dos semiconductores para obtener una unión PN. En este apartado analizaremos el dispositivo electrónico más sencillo basado en la unión de materiales semiconductores: el diodo. Decimos que es el más sencillo porque es una unión PN en sí mismo. En el subapartado 2.1 estudiaréis qué ocurre cuando se aplica una tensión a la unión PN. Después, en el subapartado 2.2, veréis que un diodo es, básicamente, una unión PN que se encapsula para poder utilizarla en un circuito. También analizaréis la respuesta tensión-corriente del diodo, prestando una especial atención a sus zonas de trabajo y su comportamiento en cada una de ellas. En estos primeros subapartados, veréis que el comportamiento del diodo es muy complejo si queremos tratarlo de forma realista y, por tanto, necesitaremos uns modelos matemáticos (subapartado 2.3) que nos faciliten el análisis de los circuitos con diodos. Dichos modelos serán aproximaciones al comportamiento real del diodo, y podréis utilizarlos en el análisis de los circuitos con diodos. Finalmente, en el subapartado 2.4 aprenderéis las bases que nos permiten analizar los circuitos en pequeña señal. Qué aprenderemos? En este capítulo aprenderéis lo siguiente: Cuál es el comportamiento de la unión PN cuando la introducimos en un circuito. Qué es el diodo. Cómo se comporta un diodo en un circuito. Cómo podemos analizar más fácilmente un circuito con diodos mediante sus modelos simplificados. Qué es el diodo Zener. Cómo se comporta el diodo en pequeña señal.

21 CC-BY-SA PID El diodo Qué supondremos? Supondremos que conocéis el comportamiento de los materiales semiconductores y cómo se forma la unión PN. Es decir: Que sabéis qué son los materiales semiconductores y cómo conducen la corriente eléctrica. Que conocéis las partículas portadoras en los semiconductores. Que sabéis qué es el dopaje. Que conocéis las interacciones que se dan en la formación de una unión PN y sabéis cómo están distribuidas las partículas portadoras cuando se llega al equilibrio Polarización de la unión PN Hasta aquí ya habéis visto cómo se comporta la unión PN cuando se encuentra aislada, pero lo que nos interesa realmente es ver cuál es su comportamiento cuando la encontramos en un circuito. Comenzaremos por estudiarla en un circuito muy sencillo: uno en el que solo hay una fuente de tensión y la propia unión PN. Cuando aplicamos una diferencia de potencial (una tensión) entre los extremos de una unión PN decimos que la hemos polarizado. En este caso, polarizaremos la unión PN mediante una fuente de tensión.. Llamamos polarización al hecho de aplicar una diferencia de potencial (una tensión) entre los extremos de una unión PN. Cuando polarizamos una unión PN, conviene diferenciar entre: Polarización directa, que consiste en aplicar una tensión positiva al material P respecto del semiconductor N. Polarización inversa, donde la tensión que se aplica es positiva en el semiconductor N respecto del P. En este subapartado os mostraremos qué ocurre en la unión PN cuando la polarizamos directamente (subapartado 2.1.1) y, posteriormente, cuando le aplicamos una polarización inversa (subapartado 2.1.2) La unión PN en polarización directa Cuando por medio de una fuente de tensión aplicamos sobre una unión PN una polarización directa, nos encontramos con el circuito de la figura 9. Conexiones de los semiconductores Un material semiconductor no se conecta directamente al circuito, sino que se coloca sobre los extremos del semiconductor una capa metálica, y por tanto conductora, que es por donde se conecta al circuito En esta figura, conviene fijarse en que el terminal positivo de la fuente está conectado con el semiconductor P, mientras que el terminal negativo de la fuente lo está con el semiconductor de tipo N. Este fuente aplica al circuito una tensión V f. La corriente eléctrica generada por la fuente (I) ha de circular partiendo del terminal positivo de la fuente hacia el terminal P de la unión PN. Sentido de la corriente Es importante recordar que, por convención, el sentido de la corriente eléctrica es el que seguirían cargas positivas.

22 CC-BY-SA PID El diodo Figura 9. Unión PN en polarización directa P N Figura 9 En polarización directa, aplicamos una tensión positiva al semiconductor P respecto del semiconductor N. V f I Este circuito aplicará una tensión entre los terminales P y N de la unión. Si la tensión del generador V f es pequeña (menor que la barrera de potencial de la unión PN que hemos introducido en el subapartado 1.5), la tensión global en la unión PN seguirá siendo mayor en la zona N respecto de la P, o sea, que ni los huecos de la zona P ni los electrones libres de la N podrán atravesar la barrera de potencial. Por consiguiente, en esta situación no habrá corriente eléctrica. Recordad que la barrera de potencial es la tensión que se produce entre el semiconductor N y el P al formarse una unión PN. Esta barrera de potencial tiende a evitar que los electrones libres de la zona N pasen a la zona P, y que los huecos se muevan de la zona P a la N. Si la tensión V f supera la barrera de potencial de la unión PN, la tensión global en la zona de unión pasa a ser mayor en el semiconductor P que en el N. En este caso se produce el movimiento de huecos hacia el semiconductor N y de electrones libres hacia el semiconductor P, de manera que deja pasar la corriente eléctrica producida por la fuente de tensión. En la figura 10 podéis ver más detalladamente el sentido que tienen la barrera de potencial (indicada como V γ), la tensión de polarización (V f ) y la corriente. Fijaos en que la tensión V f se opone a la barrera de potencial. Mientras la tensión de polarización no supere la barrera de potencial, la corriente estará bloqueada. Cuando la supere, la corriente podrá pasar a través de la unión PN.. La tensión umbral es aquella a partir de la cual la unión PN deja pasar corriente eléctrica a través de ella. La tensión umbral se escribe habitualmente V γ y se lee uve sub gamma. Como habéis podido ver, la tensión que se aplica en polarización directa va encaminada a disminuir la barrera de potencial y, una vez la ha superado, la unión PN permite el paso de corriente eléctrica a través de ella. Veamos ahora cómo reacciona la unión PN cuando la polarizamos inversamente.

23 CC-BY-SA PID El diodo Figura 10. Detalle de la unión PN en polarización directa I Zona P V γ Zona N Figura 10 En polarización directa, la tensión aplicada va encaminada a reducir la barrera de potencial. V f V V f V γ X La unión PN en polarización inversa En polarización inversa, la tensión que aplicamos a la unión PN es en sentido contrario a la polarización directa. Es decir, tal como se muestra en la figura 11, el terminal positivo de la fuente de tensión está conectado con el semiconductor de tipo N de la unión PN. Figura 11. Unión PN en polarización inversa Figura 11 P N En polarización inversa, aplicamos una tensión negativa al semiconductor P respecto del semiconductor N. V f I La tensión que aplicamos en polarización inversa va encaminada a aumentar la barrera de potencial que hay en la unión PN. En esta situación, los huecos de la zona P no pueden pasar a la zona N, ni los electrones libres de la región N a la P. En la figura 12 podéis ver más detalladamente que, en polarización inversa, la barrera de potencial (V γ) y la tensión de polarización (V f ) tienen el mismo sentido.

24 CC-BY-SA PID El diodo Figura 12. Detalle de la unión PN en polarización inversa Zona P V γ Zona N Figura 12 I En polarización inversa, la tensión aplicada va encaminada a reforzar la barrera de potencial. V f V V f V γ X En este caso, la barrera de potencial se ve reforzada por la tensión de polarización, y por tanto, los huecos de la región P no pueden moverse hacia la región N, ni los electrones libres de la zona N pueden ir a la región P. Es decir, en polarización inversa la unión PN no conduce corriente eléctrica. Si lo miramos desde otro punto de vista, teniendo en cuenta que la barrera de potencial tiene signo negativo en la zona P y positivo en la N y que, además, la tensión de polarización está puesta en este mismo sentido, la tendencia de la unión PN sería permitir el movimiento de electrones libres desde la zona P a la N, y el movimiento de huecos de la zona N a la P. Pero hay un problema: ni en la zona P hay electrones libres (porque sus portadores son huecos) ni en la zona N hay huecos (porque sus portadores son electrones libres). Es decir, tal como hemos comentado antes, en polarización inversa la unión PN bloquea la corriente eléctrica. De todos modos, cuando la tensión de polarización inversa se hace muy grande, la situación cambia. En este caso, el campo eléctrico se hace tan intenso que, tanto en la zona P como en la zona N, un número considerable de electrones en la banda de valencia saltan a la banda de conducción, dejando en el átomo donde estaban un hueco. Es decir, en la zona P se generan nuevos huecos, pero entonces también habrá electrones libres. De igual manera, en la zona N habrá huecos y nuevos electrones libres. Podéis ver este efecto en la figura 13. Figura 13. Detalle de la unión PN cuando la polarización inversa es muy grande En el subapartado 1.1 hemos visto el procedimiento por el que, aplicando energía a un electrón, este pasa a la banda de conducción y se producen un electrón libre y un hueco. Figura 13 Zona P V γ Zona N I Cuando en una unión PN la polarización inversa es muy grande, aparecen electrones libres en la zona P y huecos en la zona N. Gracias a este hecho se produce corriente eléctrica. V f

25 CC-BY-SA PID El diodo Fijaos en que, en este caso, en la zona P ya tenemos electrones libres y en la zona N, huecos. Por tanto, la corriente eléctrica ya podrá circular a través de la unión PN.. La tensión de ruptura es la tensión a partir de la cual la unión PN no puede seguir bloqueando la corriente cuando se encuentra en polarización inversa. La tensión de ruptura se escribe habitualmente V z, y se lee uve sub zeta El diodo. El diodo es un dispositivo electrónico de dos terminales, que internamente es una unión PN y se comporta de manera diferente según que la corriente entre a través de un terminal u otro. Por este motivo, el diodo es un dispositivo no lineal. En los circuitos que contienen dispositivos no lineales, como los diodos, no podemos aplicar el principio de superposición. Además, por el mismo motivo no podemos calcular los circuitos equivalentes de Thévenin y de Norton de partes del circuito que contengan diodos. En el anexo podréis ver cómo se aplica el principio de superposición y cómo se calculan los equivalentes de Thévenin y de Norton de un circuito. En la figura 14 podéis ver cómo se simboliza un diodo en un circuito. También está indicado el sentido de la corriente y los terminales positivo y negativo, que identifican cuándo trabajamos en polarización directa. El terminal positivo del diodo corresponde a la zona P de la unión PN en que se basa el diodo y el terminal negativo a la zona N. Linealidad Un dispositivo es lineal si, cuando se le conectan más de una fuente, su respuesta global se puede calcular como la suma de las respuestas del dispositivo a cada una de las fuentes. Figura 14. Símbolo de un diodo I D Figura 14 V D Símbolo circuital de un diodo. Una vez visto cómo se representa el diodo, en el próximo subapartado estudiaremos cuál es su comportamiento en un circuito.

26 CC-BY-SA PID El diodo Relación tensión-corriente de un diodo En el subapartado 2.1 hemos visto cómo se comporta una unión PN cuando la polarizamos, tanto de forma directa (cuando le aplicamos una tensión positiva) como de forma inversa (cuando aplicamos una tensión negativa). Como un diodo, internamente, es una unión PN, su comportamiento es el mismo que hemos estudiado para esta. En la figura 15 podéis observar el gráfico completo de la respuesta que tiene el diodo cuando lo polarizamos. Figura 15. Relación entre tensión y corriente en un diodo Figura 15 Pol. Inversa Pol. Directa Relación entre la tensión y la corriente en un diodo. I D V z V γ V D D C A B Este gráfico se denomina la relación tensión-corriente de un diodo porque muestra qué corriente circula por un diodo según la tensión que le apliquemos. En este gráfico se puede ver que el diodo no es lineal, porque su funcionamiento es diferente según que su tensión sea positiva o negativa. Para entender la respuesta tensión-corriente representada en la figura 15, la estudiaremos por zonas y asociaremos la respuesta a cada una de estas con lo que hemos visto en el subapartado 2.1. Por un lado, en la parte superior del gráfico de la figura 15 hemos identificado cuándo nos encontramos en polarización directa y cuándo en polarización inversa. Además, en la parte inferior de la misma figura hemos identificado cuatro regiones, que hemos marcado con las letras A, B, C y D. Veamos qué pasa en cada una de estas regiones: Polarización directa. En polarización directa, la tensión V D tiene un valor positivo. Si vamos aumentando la tensión desde un valor V D = 0 V, encontramos las siguientes regiones:

27 CC-BY-SA PID El diodo Región A. Para tensiones positivas de bajo valor, el diodo prácticamente no conduce. Este comportamiento es así hasta que se llega a la tensión V γ, que es la tensión umbral que hemos introducido en el subapartado 1.5. Región B. Cuando la tensión en polarización directa supera el valor de V γ, el diodo permite el paso de corriente a través de él. El aumento de la corriente se produce de forma gradual a partir de esta tensión, aunque idealmente nos interesaría que el cambio fuera abrupto. Tensión umbral El valor de V γ depende del material semiconductor utilizado para fabricar el diodo. Por ejemplo, en diodos de silicio son habituales los valores entre 0,6 V y 0,7 V para V γ. En cambio, para diodos de germanio los valores son menores, del orden de 0,3 V. Polarización inversa. En polarización inversa, la tensión V D tiene un valor negativo. Si partimos de un valor V D = 0 V y vamos haciendo más negativa esta tensión, nos encontraremos con las regiones siguientes: Región C. Para tensiones negativas, pero más pequeñas (en valor absoluto) que el valor de V z, el diodo prácticamente no deja pasar corriente. Esta V z es la tensión de ruptura que hemos estudiado en el subapartado Región D. En polarización inversa, cuando superamos la tensión de ruptura, el diodo no puede seguir bloqueando la corriente eléctrica. Observad en la figura 15 que, en esta región, el aumento de la corriente es más abrupto que el de la región B. Tensión de ruptura El valor de la tensión de V z es mayor (en valor absoluto) que la de V γ. Su valor depende del material utilizado. Hay diodos que tienen una V z de -3 V, pero también los hay con valores superiores (en valor absoluto) a -100 V.. A partir de estas regiones que hemos marcado en la figura 15, podemos identificar las tres zonas de trabajo del diodo: Zona de conducción. Para tensiones mayores que la tensión umbral, el diodo permite el paso de corriente. Esta zona corresponde a la región B que se ha marcado en la figura 15. Zona de corte. En esta zona, que incluye las regiones marcadas como A y C en la figura 15, el diodo apenas deja pasar la corriente eléctrica. Zona de ruptura. Para tensiones negativas muy elevadas, el diodo no puede seguir bloqueando la corriente eléctrica, como se ve en la región D de la figura 15. En referencia a esta zona de ruptura, hay algunos tipos de diodo que no están preparados para que se sobrepase esta tensión de ruptura. En caso de polarizar uno de estos diodos con una tensión inversa mayor que la de ruptura, el diodo se acaba quemando y queda inservible. En cambio, hay otros diodos que sí pueden soportar esta tensión en polarización inversa y, a partir de la tensión de ruptura, dejan pasar la corriente eléctrica. En este caso, nos encontramos con estos dos tipos de diodo: