Diodos

 

1. Introducción

Para el estudio de la teoría de funcionamiento de los diodos, transistores, y circuitos integrados, es necesario comprender las características básicas de los semiconductores. En este capítulo se discutirán los conceptos básicos de la teoría atómica, y luego se presentará paso a paso la operación de los diodos. Además, se presentarán algunos principios básicos, símbolos y aplicaciones de semiconductores específicos.

 

1. Semiconductor Intrínseco

Todos los materiales están formados por átomos, que a su vez están compuestos de electrones, protones y neutrones. Para comprender mejor un semiconductor, en esta sección veremos la constitución de los átomos y dos de los principales materiales semiconductores: el silicio y el germanio.
Un átomo es la partícula más pequeña que tiene las características originales del elemento al cual pertenece. Para los diferentes elementos debe haber diferentes átomos, lo que significa que cada elemento posee una constitución única y específica de sus átomos.

 

Según el modelo atómico clásico de Bohr, la estructura de un átomo es como un sistema planetario. El centro del sistema es el núcleo, y los planetas son los electrones que giran alrededor del núcleo en órbitas, como se ve en la Fig. 12.1
El núcleo está compuesto de protones, con carga positiva y neutrones, que no tienen carga. El electrón es la partícula básica con carga negativa. Los átomos de cada elemento tienen un cierto número de electrones y protones. No obstante, la cantidad de electrones es siempre igual al número de protones para cada átomo. Esto permite que el número de cargas positivas sea igual al número de cargas negativas, y se mantiene en estado neutral. Por ejemplo, el átomo más simple que existe es el de Hidrógeno, que posee un protón y un electrón, como se muestra en la Fig. 12.2(a). En la Fig. 12.2(b) e aprecia el átomo de helio, que tiene dos protones, dos neutrones y dos electrones que giran alrededor en órbitas.

 

           

 

Un semiconductor es un elemento con 4 electrones de valencia. Esto significa que existen 4 electrones en la órbita exterior de los átomos del material semiconductor, y se llaman electrones de valencia. La cantidad de electrones de valencia es el punto clave en la conductividad de un elemento. Un conductor tiene un electrón de valencia, el semiconductor tiene 4 electrones de valencia y el aislador tiene ocho electrones de valencia.

Tanto el silicio como el germanio tienen cuatro electrones en su órbita exterior, como se muestra en las Fig. 12.3 y 12.4. Por lo tanto, generalmente se usa silicio o germanio como materiales semiconductores. El átomo de germanio se muestra en la Fig. 12.3, y tienen 32 protones en el núcleo. Sus electrones se distribuyen en órbitas según el siguiente orden: dos electrones en la primera órbita, ocho electrones en la segunda órbita, dieciocho electrones en la tercera órbita, y cuatro electrones en la quinta y última órbita.

El semiconductor más común es el silicio o sílice. Tiene 14 protones y 14 electrones. Como se muestra en la Fig. 12.4, dos electrones en la primera órbita, ocho en la segunda, y los restantes cuatro en la órbita exterior.
No importa si se trata de silicio o de germanio, la cantidad de electrones es igual a la cantidad de protones; por lo tanto, el átomo es neutro. Esto significa que no existe carga adicional en el átomo. Si se pierde un electrón de valencia, entonces la cantidad de electrones será menor que la cantidad de protones y se convierte en un ión positivo, con una carga positiva.

1. El enlace covalente se forma al

Compartir un electrón de valencia                     (b) Diagrama de enlaces covalentes
 
Fig. 12.5 – Enlaces covalentes en átomos de Si

 

Cuando los átomos de silicio se conectan entre sí como material sólido, se convierten en una estructura cristalina, y la conexión la forman los enlaces covalentes. Estas fuerzas de unión son establecidas por electrones de valencia de cada átomo. El silicio o sílice se asemeja a un trozo de material cristalino.

 

En la Fig. 12.5, cada átomo de silicio tiene cuatro átomos similares que lo rodean. Los átomos adyacentes de silicio comparten los electrones de valencia de los demás. Por lo tanto, se tienen ocho electrones de valencia para cada átomo, lo que hace que el átomo de silicio adquiera un estado de estable.

Fuerzas iguales de los átomos adyacentes atraerán a estos electrones compartidos, y por lo tanto, se forman los lazos covalentes entre estos electrones de valencia y los átomos. Los lazos covalentes que existen en el cristal intrínseco de silicio se muestran en la Fig. 12.6. El germanio tiene también cuatro electrones de valencia, por lo tanto tenemos la misma situación de enlace que con el silicio.

Fig. 12.6 – Enlaces covalentes en cristales intrínsecos de silicio

 

A temperatura ambiente, el silicio obtiene energía del ambiente mismo. El electrón de valencia que tenga suficiente energía escapará del enlace con el núcleo y se convierte en un electrón libre, como se muestra en la Fig. 12.7.

                                      

Fig. 12.7 – Generación de un electrón libre

Cuando el electrón escapa de su posición original y se convierte en un electrón libre, dejará un espacio vacío en la covalencia. Este espacio vacío se llama “agujero”, y por lo tanto, cuando el electrón de valencia adquiere fuerza externa, tal como la que proviene de la luz, calor, o potencia eléctrica, se excita y se escapa de la órbita. Este electrón de valencia se convierte en un electrón libre. De manera igual, se generará un agujero, y una vez que el electrón libre pierde la energía, se combina con el agujero y de nuevo se convierte en un electrón de valencia. Por lo general se forman pares de electrones – agujeros, excepto a temperaturas de cero absoluto.
Sin embargo, se debe tomar notar que la cantidad de electrones y agujeros en el trozo de silicio es la misma a temperatura ambiente y por lo tanto no posee ninguna carga.
El germanio es muy parecido al silicio, excepto que tiene una conductividad más alta puesto que tiene una mayor cantidad de electrones libres. Tiene una mayor cantidad de aplicaciones, siendo una de las razones que se puede usar bajo condiciones de alta temperatura.
En la Fig. 12.8, se le aplica un potencial (polarizado) para liberar los electrones y que sean atraídos hacia el terminal positivo. Este movimiento causado por el flujo de electrones libres inducirá una corriente en el semiconductor, llamada “flujo de electrones”.
Se tiene también otra corriente inducida por los agujeros en el nivel de valencia. Los agujeros en esta órbita todavía están atados a los átomos del cristal, por lo que no se pueden mover libremente. Sin embargo, un electrón puede “dejarse caer” a un agujero en su vecindad y dejar un agujero en su sitio original. Da la apariencia que el agujero se ha movido de su posición, como se puede ver en la Fig. 12.9. A esto se le llama “flujo de agujeros”.

              

Fig. 12.8 – Flujo de corriente inducida por el movimiento de los electrones libres (excitados por calor), moviéndose en el material intrínseco.

 

              

Fig. 12.9 – Flujo de agujeros en la masa de silicio

1. Semiconductores Tipo n y Tipo p

 

En la banda de conducción no existen suficientes electrones libres ni suficientes agujeros en la banda de valencia de un trozo intrínseco de silicio. Por lo tanto, el material de silicio (o de germanio) es generalmente contaminado con electrones libres y agujeros para mejorar su conductividad y que sean útiles para efectos eléctricos. Si se puede controlar adecuadamente la concentración de impurezas, entonces se puede controlar la conductividad. El procedimiento de “contaminación” (dopaje) le suministrará corriente a los conductores (electrones y agujeros), de tal forma que se reduce la resistencia en la sustancia y se mejora su conductividad. Estos materiales se pueden dividir en materiales tipo n y tipo p, dependiendo de las impurezas en el semiconductor.

1. Semiconductores Tipo n

 

Al contaminar el silicio puro con materiales impuros que tengan cinco electrones de valencia se aumentará la cantidad de electrones en la banda de conducción. Estas impurezas pueden ser de arsénico, fósforo y antimonio, que tienen todos cinco electrones de valencia.
En la Fig. 12.10, cada átomo (en la figura se trata de antimonio – Sb) con cinco electrones de valencia, forma enlaces covalentes con cuatro átomos vecinos de silicio. Cuatro electrones de valencia del antimonio se utilizan en los enlaces covalentes, y el electrón que sobra no está atado a ningún átomo. Este se puede considerar como un electrón libre. La cantidad de estos electrones libres se puede controlar agregando la cantidad adecuada de impurezas. Los electrones libres donados por el material impuro no dejan agujeros en los átomos.

Los principales portadores de corriente son los electrones, por lo que llamamos a este tipo de semiconductor como tipo n. La letra n implica que se trata de electrones con carga negativa. En los semiconductores de tipo n, los electrones entonces son los principales portadores. A pesar de ello, todavía se genera una cantidad de agujeros por ionización térmica, y no son producidos por elementos con cinco electrones de valencia. Estos agujeros en los materiales de tipo n se llaman portadores minoritarios.

                        

Al dopar el silicio puro con materiales impuros con tres electrones de valencia, se aumentan los agujeros en el silicio. Estas impurezas son tales como el aluminio, boro, y galio, con tres electrones de valencia.
En la Fig. 12.11, cada átomo con tres electrones de valencia tratará de formar enlaces covalentes con cuatro átomos vecinos de silicio. Sin embargo, solamente hay tres electrones de valencia en el átomo de boro que se pueden usar en los enlaces covalentes, y se requiere un electrón libre adicional. Por lo tanto, se forma un agujero debido a la carencia de electrones libres. La cantidad de agujeros se puede controlar agregando una cantidad adecuada de impurezas.

Los principales portadores de corriente son los agujeros, por lo que llamamos a este tipo de semiconductor como tipo p. La letra p implica que se trata de agujeros con carga positiva.. A pesar de ello, todavía se genera una cantidad de electrones por ionización térmica, y no son producidos por elementos con tres electrones de valencia. Estos electrones en los materiales de tipo p se llaman portadores minoritarios.

 

1. Unión p-n Bajo Condición de no bias

 

1. Unión p-n

En la Fig. 12.12 se muestra un cristal de silicio. Una mitad está dopada como tipo n y la otra como tipo p. Por lo tanto se forma una unión p-n. Esta es la construcción básica de un diodo. Existen muchos electrones (portadores mayoritarios) y pocos agujeros (portadores minoritarios) inducidos por la ionización térmica en la región de tipo n. Hay muchos agujeros (portadores mayoritarios) y muy pocos electrones (portadores minoritarios) inducidos por ionización térmica en la región tipo p, como se muestra en la Fig. 12.12. La unión p-n no es solamente la estructura básica de un diodo, sino que también es la estructura principal de los transistores y otros tipos de dispositivos de estado sólido.

 

 

1. Región de Agotamiento

 

Si no existe polarización externa, los electrones en el material tipo n se desviarán sin control. En el momento de contacto, hay algunos electrones cerca de la unión que se difundirán dentro del material tipo p y se combinarán con los agujeros cerca de la unión.
Cuando los electrones se mueven a lo largo de la unión y se combinan con los electrones, los átomos con electrones de valencia cinco cerca de la unión  se transformarán en iones positivos. A la vez, los átomos con electrones de

 

valencia tres cerca de la unión se convertirán en iones positivos debido a que han obtenido un electrón adicional. En este tipo de fenómeno, si los electrones en el material tipo n tienden a difundirse en la región de material tipo p, deberán vencer la fuerza de atracción de los iones positivos y la fuerza de repulsión de los iones negativos. Por lo tanto, una vez que las capas ionizadas se forman, uno de los lados de la unión se convertirá en una región sin suficientes electrones, y la otra más bien con suficientes electrones. Estas regiones desprovistas de portadores se llaman regiones agotadas. El ancho de las mismas aumentará hasta que los electrones ya no se mueven a través de la unión p-n en equilibrio, como se muestra en la Fig. 12.13.

 

                        
Fig. 12.13 – En estado de equilibrio, hay muy pocos electrones (puntos negros) en la región p, y pocos agujeros (círculos) en la región n. Estos son portadores minoritarios. Estas parejas de electrón-agujero se generan por ionización térmica.

Los iones positivos y negativos formarán una barrera de tensión a través de las regiones agotadas. A 25ºC, la barrera de tensión para el silicio es de 0.7 V, y de 0.3 V para el germanio. Cuando aumenta la temperatura en la unión, se disminuye la tensión de barrera, y viceversa. La tensión de barrera determinará la tensión aplicada en los dos terminales para iniciar la conducción de corriente en el diodo. Para más detalles, leer la siguiente sección.

 

1. Unión p-n Bajo Condición Polarizada

 

1. Polarización Directa

 

Bias (polarización) es la tensión constante aplicada en un semiconductor para que funcione bajo ciertas condiciones. La polarización directa (hacia delante) permite que la corriente pase a través de la unión p-n. En la Fig. 12.14, la tensión directa se conecta en al diodo a manera de polarización directa. El terminal negativo de la batería se conecta a la región de tipo n (cátodo), y el positivo a la región p (ánodo).

  

                                    

Fig. 12.14 – Conexión con polarización directa. En este caso se usa una resistencia para limitar la corriente y proteger el diodo.

La teoría básica de la polarización directa es la siguiente: El terminal negativo de la batería repele a los electrones en la banda de conducción de tipo n, y el terminal positivo repele a los huecos en la región p de la unión (similar a las cargas diferentes que se repelen).
Cuando tratan de superar la tensión de barrera, la tensión externa suministrará la energía suficiente para los electrones en la región n. Estos electrones pasarán a través de la región agotada y de la unión para combinarse con los agujeros de la región p. El terminal negativo de la batería repondrá los electrones que se van de la región n. Por lo tanto, la corriente en la región n es el resultado de que los electrones en la banda de conducción se muevan hacia la unión. Una vez que los electrones ingresan a la región p y se combinan con los agujeros, se convierten en electrones de valencia. Se mueven en la región de agujeros uno por uno, hacia el terminal positivo de la batería.  Los electrones de valencia que se mueven dan la apariencia de que el agujero se mueve en la dirección opuesta. Por lo tanto, la corriente en la región p es el resultado de que los huecos se muevan hacia la unión. La Fig. 12.15 muestra a un diodo bajo polarización directa.

  

                            Fig. 12.15 – Flujo de electrones en la unión p-n de un diodo

 

Nota: La tensión de barrera no es la tensión de la fuente, por lo que no es posible medirla con un voltímetro. El diodo conducirá corriente solamente cuando la tensión externa supera a la tensión de barrera, como se muestra en la Fig. 12.16. La tensión de barrera es de 0.7V para un diodo de silicio y de 0.3V para uno de germanio. Una vez que la corriente de polarización pasa por el diodo, la tensión en los dos terminales mantendrá la magnitud de la tensión de barrera. La corriente directa (IF) cambiará ligeramente debido a la influencia de la resistencia total del semiconductor. 

  

              

Fig. 12.16

 

1. Polarización Inversa

 

Polarización inversa es la resistencia al paso de la corriente por la unión p-n. En la Fig. 12.17, la tensión directa se conecta al diodo a manera de polarización inversa. El terminal negativo de la batería está conectado a la región p, y el terminal positivo a la región n.

  

                                                Fig. 12.17 – Conexión con polarización inversa

 

 

 

El principio básico de la polarización inversa es la siguiente: El terminal negativo de la batería atrae a los huecos en la región p de la unión p-n. El terminal positivo atrae a los electrones de la región n de la unión p-n. Conforme los electrones y los agujeros dejan la unión p-n, la región agotada se hará más ancha; habrá más iones positivos en la región n agotada y más iones negativos en la región p.

 

(a) La corriente de transición fluye y la                (b) Cuando la tensión de barrera es igual a
región agotada se hace más ancha                      la de polarización, la corriente no fluye.

Fig. 12.18 – Polarización Inversa

 Cuando el diodo se conecta con polarización inversa, la zona agotada se convierte en una capa aislada de iones positivos y negativos. Como se muestra en la Fig. 12.19, la unión p-n muestra un efecto capacitivo. La región agotada se hace más ancha debido a una mayor polarización inversa, la capacitancia es menor y viceversa. Esta capacitancia interna se llama “capacitancia de agotamiento”.

             
Fig. 12.19 – Región agotada que se aumenta debido al aumento de la polarización inversa.

Se sabe que la mayor parte del flujo de portadores tendrá valor cero poco después de aplicar la polarización inversa en el diodo. Sin embargo todavía quedará una pequeña corriente fluyendo. La corriente inversa del germanio es más alta que la del silicio. Esta última es del orden de los mA o nA. En la región agotada todavía quedan “pares electrón – hueco” generados por ionización térmica. Aunque en pequeña cantidad, todavía hay algunos electrones bajo la polarización inversa en la unión p-n antes de combinarse con los agujeros. Este proceso producirá los portadores minoritarios en los materiales.
Básicamente, la corriente inversa de fuga depende únicamente de la temperatura en la unión, y es independiente de la magnitud de la polarización inversa. A mayor temperatura la fuga será mayor.
Cuando la polarización inversa externa  es lo suficientemente alta, sucede un efecto de avalancha. Supóngase que tenemos un electrón en la banda de conducción. Se acelerará hacia el terminal positivo del diodo una vez que reciba suficiente energía del exterior. En la senda de movimiento, si este electrón colisiona con el átomo y empuja el electrón de valencia fuera de la banda de conducción, se tendrán dos electrones libres. Cada uno de ellos chocará con un átomo y se tendrá un electrón libre, y por lo tanto, dos electrones libres producirán cuatro. Utilizando el mismo mecanismo, encontramos que habrá más electrones generados mediante colisiones. A este efecto se le llama “efecto acumulado de avalancha”, y aumentará súbitamente la corriente inversa.
La mayoría de los diodos no pueden funcionar en la región de avalancha inversa, ya que se dañarían debido a la alta disipación de potencia. Sin embargo, existe un diodo en particular – el diodo Zener, que trabaja en la región de avalancha inversa. Este diodo en particular lo veremos en la Sección 12.8.

• Símbolo, Aspecto y Medición de un Diodo.

 

Si la corriente en un dispositivo es proporcional a la tensión, y si la curva de i vs. v es una línea recta en el plano de coordenadas planas,  esto implica que el dispositivo es lineal. Por ejemplo, el dibujo de la curva de corriente vs. tensión de una resistencia es una línea recta. Esto significa que la resistencia es un dispositivo lineal común.
Debido a la tensión de barrera en el diodo, éste posee una relación no lineal entre la corriente y la tensión.

                                               

Fig. 12.20 – Símbolo del diodo rectificador.

El símbolo del diodo rectificador se muestra en la Fig. 12.20, donde el terminal p es el ánodo y n el cátodo. La flecha va del terminal p hacia el n, o sea, del ánodo al cátodo. Por lo tanto el flujo de corriente en el diodo se puede expresar como una flecha que va de p hacia n. El flujo de electrones es de n hacia p.
En la Fig. 12.21 se muestran varios diodos comunes. La mayoría de ellos traen impreso la dirección p-n. Algunos tienen barras o anillos en el terminal n.

   

Fig. 12.21 – Algunos diodos corrientes

 

La batería en un ohmímetro analógico puede proporcionarle al diodo polarización directa o inversa. Esta función puede usarse fácilmente para probar la polarización de la unión p-n. Algunos de los multímetros digitales tienen también la función para probar diodos.

Para medir un diodo bajo condición directa, la punta positiva (negra) del medidor se debe conectar al ánodo del diodo, y la punta negativa (roja) al cátodo. El método se muestra en la Fig. 12.22(a). Cuando el diodo está bajo polarización directa, su resistencia interna es muy baja, de unos 100W (o aún más bajo). Si los cables del probador se invierten, como en la Fig. 12.22(b), entonces la batería interna del medidor pondrá al diodo bajo polarización inversa. Por lo tanto, el medidor mostrará una resistencia muy alta (idealmente es infinita). Si el medidor muestra una resistencia baja en ambas direcciones, esto implica que el diodo ya ha sido cortocircuitado. Por otro lado, si el medidor muestra una resistencia muy alta en ambas direcciones, el diodo ya está bajo circuito abierto. En caso de un medidor digital para la prueba de diodos, si éste funciona, mostrará siempre la tensión directa del diodo, como se muestra en la Fig. 12.22(c).

 

            

(a) Al usar un multímetro             (b) Bajo polarización inversa,      (c) Usando un multímetro
de tipo analógico para probar      mostrará resistencia muy alta      digital para probar el diodo
el diodo, mostrará resistencia      bajo polarización inversa             mostrará el voltaje directo
baja con polarización directa                                                        del diodo bajo condición de
polarización directa (el volta-
je directo es igual a la suma
del voltaje de barrera y de la
caída de tensión en la
resistencia.

 

 

• Forma Aproximada de Expresar un Diodo

 

• Diodo Ideal

 

Existen diversas formas aproximadas de expresar las características de un diodo bajo diferentes condiciones.

 

De lo que hemos discutido con anterioridad, sabemos que el diodo será conductor bajo polarización directa, pero no lo hará bajo polarización inversa. Por lo tanto, el diodo ideal actúa como conductor (resistencia cero) bajo polarización directa, y como aislador (resistencia infinita) bajo  polarización inversa.

 

En la Fig. 12.23 se muestra la corriente y la tensión para un diodo ideal. En  este dibujo se puede ver que las características de un diodo ideal son resistencia cero bajo polarización directa y resistencia infinita bajo polarización inversa. En realidad, no es posible fabricar un diodo ideal.

   
                       
            (a) Curva de un diodo ideal                   (b) Un diodo ideal actúa como interruptor

 

¿Qué tipo de dispositivo se puede considerar como diodo ideal? De manera ideal, cuando el interruptor está cerrado (ON), la resistencia es cero. Cuando el interruptor está abierto (OFF), la resistencia es infinita. Por lo tanto, el diodo ideal se puede considerar como un interruptor. Cuando el diodo es conductor (polaridad directa), funciona como si estuviera cerrado. Cuando no conduce (polaridad inversa), actúa como si estuviera abierto. Los conceptos se describen también en la Fig. 12.23(b).

 

                                               
Fig. 12.24 – Ejemplo

 

Ejemplo 12.1

Use el modelo de un diodo aproximadamente ideal para calcular la carga de corriente, la carga de la tensión, la carga de la potencia, la potencia del diodo y la potencia total en el circuito de la Fig. 12.24.

 

 

 

Respuesta: La fuente de tensión coloca al diodo bajo condición de polarización directa, por lo que se le puede considerar como un interruptor cerrado. El circuito actúa como si la fuente de tensión de 10V estuviera conectada directamente a la resistencia de 1 kW. Por lo tanto, la Ley de Ohm determina la corriente:

I = 10V / 1 kW = 100 mA

Como el interruptor está cerrado, toda la tensión caerá en la resistencia de carga, lo que permite que VL = 10V. En segundo lugar, del producto de VI conocemos la potencia:

              

 

• Segunda Aproximación

 

En la Fig. 12.25 se muestra una segunda aproximación del diodo V-I. Esta figura muestra que la corriente de diodo existe únicamente cuando la tensión es mayor de 0.7V, lo que significa que el diodo conduce bajo esta condición. Por lo tanto, el potencial en el diodo es de 0.7V y es independiente de la magnitud de la corriente.
La Fig. 12.25(b) muestra el circuito equivalente de la segunda aproximación. Aquí, el diodo es considerado como un interruptor con un potencial de barrera de 0.7 V. Si la fuente de tensión es de más de 0.7V, el interruptor se cierra y el potencial en el diodo es de 0.7V. Esto sucede porque la tensión de barrera del diodo es de 0.7V. No importa cuál sea la magnitud de la corriente, la caída de tensión del diodo se mantiene constante en 0.7V.
Por otro lado, si la fuente de tensión es menor de los 0.7 V o tiene un valor negativo, el interruptor de polaridad inversa actúa como un interruptor abierto, y el diodo estará bajo un estado de circuito abierto.

 

            
(a) Curva del diodo para 2ª aproximación                      (b) La 2ª aproximación hace que el diodo funcione como un interruptor más   una batería

Fig. 12.25

 

Ejemplo 12.2. Use la segunda aproximación para calcular la carga de la corriente, la carga de tensión, la potencia de la carga, la potencial del diodo y la potencia total en el circuito de la Fig. 12.26.

Respuesta: Reemplace el diodo por un interruptor cerrado y una tensión de barrera de 0.7 V. Por lo tanto, habrá dos fuentes de tensión en serie, con direcciones opuestas. Hay que restar una de otra y luego usar la Ley de Ohm:

El potencial de la carga es:

                  

 

 

 

                                               

• Tercera Aproximación

 

La tercera aproximación consiste en considerar la resistencia interna r0 del diodo. En la Fig. 12.27, se muestra el efecto de la r0 en el diodo. Una vez que el diodo de silicio comienza a conducir, el potencial se aumentará linealmente o proporcionalmente con la corriente. Entre mayor sea la corriente, más alta será la tensión. El potencial IR de r0 debe ser sumado a la tensión total del diodo.

  

              

(a) Curva del diodo basada en la tercera                  (b) Circuito equivalente basado en la
aproximación                                               tercera aproximación

Fig. 12.27

El circuito equivalente basado en la tercera aproximación se puede considerar como un interruptor, una tensión de barrera de 0.7V y una resistencia r0 conectada en serie, como se ve en la Fig. 12.27(b). Cuando la tensión suministrada es mayor que los 0.7V, el diodo comienza a conducir. El potencial total en el diodo es:

           

            

 

 

Ejemplo 12.3. Utilice la tercera aproximación para calcular la carga de corriente, la carga de tensión, la potencia, la potencia del diodo y la potencia total en el circuito de la Fig. 12.28. Nota la resistencia básica 1N4001 es de Rb = 0.23 W-

                                    

Fig. 12.28 – Circuito en serie

Respuesta:  El diodo puede considerarse como un interruptor cerrado (ON), una tensión de barrera de 0.7V y una resistencia de 0.23W conectados en serie. Se restan las tensiones opuestas y se suman las dos resistencias. Se usa luego la Ley de Ohm:

              
Existe solamente una pequeña diferencia en la potencia del diodo. La razón es que la caída de tensión en la resistencia interna del diodo hará que el potencial en el mismo sea ligeramente mayor.

            

 

• Diodos Especiales

El diodo rectificador es uno de los diodos más comunes. Puede usarse en un circuito rectificador para convertir tensión AC en tensión DC. En el siguiente capítulo estudiaremos la teoría de operación de los mismos.

Existen tantos tipos de diodos como se quiera y sus funciones no se limitan solamente a rectificación. Los que no son de rectificación los clasificamos como de tipo especial, tales como diodos Zener, fotodiodos, diodos Schottky, y diodos Varactor. Más tarde nos referiremos a ellos.

• Diodos Zener

 

El símbolo del diodo Zener se muestra en la Fig.12.29. Está hecho con material de silicio con una unión p-n. La diferencia entre un diodo rectificador y un diodo Zener es que este último trabaja en la región de disrupción inversa. La tensión de disrupción de un diodo Zener depende de la concentración de impurezas, las cuales deben ser muy bien controladas durante su fabricación. La característica de este diodo es que la tensión permanece casi constante aún cuando la corriente cambie súbitamente con la disrupción. Las características de tensión y corriente se muestran en la Fig.12.30.

     

Fig.12.29 – Símbolo de diodo                  Fig.12.30 – Curva característica de
Zener                                                      un diodo regular

 

• Disrupción del Diodo Zener

Existen dos situaciones de disrupción en un diodo Zener: La disrupción por avalancha y la disrupción Zener. Esta última sucede bajo condiciones de baja polarización inversa. Al diodo se le agregan gran cantidad de impurezas para bajar la tensión de disrupción. Esto hará que la región agotada se convierta en un fuerte campo eléctrico y cuando la polarización inversa se aproxima a la tensión de disrupción (Vz), el campo eléctrico será lo suficientemente fuerte como para expulsar a los electrones hacia fuera y formar una corriente.
La tensión de disrupción de un diodo Zener es menos de 5V, y es inducida principalmente por la ruptura. Si la tensión de ruptura es mayor de 5V, entonces la ruptura por avalancha se convertirá en un asunto serio. La ruptura por avalancha generalmente sucede a tensiones de disrupción inversa.

Al principio habrá únicamente una pequeña cantidad de corriente inversa. Cuando la tensión inversa aumenta permitirá que los conductores minoritarios tengan energías suficientes y se muevan más rápido. Estos conductores minoritarios colisionarán con los átomos y hará que los electrones de valencia se vayan lejos de los átomos. Estos electrones de valencia se convierten en electrones libres. A continuación, los conductores minoritarios originales y estos electrones libres continuarán con su acción y producirán más electrones libres.
Por ejemplo, un electrón libre colisiona con un átomo y produce otro electrón libre. Estos dos producirán a su vez otros dos electrones libres al colisionar con sendos átomos por lo que ahora se tienen cuatro electrones libres. Estas colisiones suceden en forma continua. Las tensiones de disrupción de los diodos Zener comerciales están entre 1.8V y 200V.

12.8.1.2    Características de Disrupción 

La Fig. 12.31 muestra la curva de características inversas del diodo Zener. La corriente inversa (IR) es un valor pequeño antes de alcanzar el “codo” de la curva. En este punto el diodo Zener comienza a mostrar disrupción, la resistencia Zener (ZR) disminuye y la corriente aumenta muy rápido. A partir del codo, la tensión de disrupción permanece casi constante, aumentando solamente cuando hay un incremento de IZ. Esta es la principal característica del diodo Zener, de ajustar la tensión. Puede mantener una tensión constante entre los dos terminales dentro de una región particular de corriente inversa.
Para mantener funcionando un diodo Zener, debe suministrarse un mínimo de corriente inversa IZX. De la curva de características, vemos que la corriente inversa es más baja que el punto de inflexión (codo), la tensión ha cambiado en forma obvia y el diodo perderá su función de ajuste. Existe también una limitación en cuanto a la corriente máxima IZM; si la corriente es mayor que este límite, el diodo se daña.

                                      

Fig. 12.31 – Curva de características inversas de un diodo Zener. VZ (o VZT) es la tensión en IZT.

 

Por lo tanto, el potencial de terminal de un diodo Zener permanece constante para la corriente inversa, desde IZK hasta IZM. En la hoja de datos, VZT es la tensión inversa cuando la corriente inversa es IZT.

 

• Circuito Zener Equivalente

La Fig. 12.32(a) muestra el diagrama aproximadamente ideal de un diodo Zener en la región de disrupción inversa, donde el diodo se comporta como una batería.
La Fig. 12.32(b) es el diagrama equivalente para el diodo Zener real, donde se incluye la resistencia Zener RZ. La curva de tensión no es como las líneas verticales ideales. Pequeños cambios en la corriente inversa cambiarán ligeramente la tensión Zener, como se muestra en la Fig. 12.32(c). La relación de DVZ a DIZ es la resistencia, y la ecuación es la siguiente:       

     

Fig. 12.32 – Circuito equivalente de diodo Zener

En general, RZ se determina mediante la corriente inversa específica IZT , llamada “corriente Zener de prueba”. Por lo general, RZ es constante en la región de corriente inversa.

 

Ejemplo 12.4 . Se tiene un diodo Zener con 2 mA de corriente, que cambia de IZK a IZM en la región lineal, y el correspondiente cambio VZ es de 50 mV. Determine la resistencia Zener.

 

 

Respuesta:  RZ = DVZ / DIZ = 50 mV / 2 mA = 25W

Ejemplo: Un diodo Zener tiene 5 W de resistencia. De la hoja de datos, sabemos que IZT = 20 mA, VZT = 6.8 V, IZK = 1 mA, e IZM = 50 mA. ¿Cuál es la tensión del diodo cuando la corriente es igual a 30 mA?. Determine también la tensión del diodo cuando la corriente es de 10 mA.

Respuesta: En la Fig. 12.33 vemos el circuito equivalente de ese diodo.

Cuando IZ = 30 mA, está 10 mA más alto que cuando IZT = 20 mA.
DIZ = +10 mA
DVZ = DIZ RZ = (10 mA) (5W) = + 50 mV

Como la corriente es más alta que IZT, la tensión Zener se aumentará, por lo tanto la tensión en IZ = 30 mA será:

VZ = 6.8 V + DVZ = 6.8 V + 50 mV = 6.85 V

Cuando IZ = 10 mA, es 10 mA menos que con IZT = 20 mA
DIZ = +10 mA
DVZ = DIZ RZ = (-10 mA) (5W) = - 50 mV

Como la corriente es más baja que IZT, la tensión Zener se disminuirá, por lo tanto la tensión en IZ = 10 mA será:

VZ = 6.8 V + DVZ = 6.8 V - 50 mV = 6.75 V

 

                                               

Fig. 12.23

 

• Estabilización de Tensión con Diodo Zener

El diodo Zener se usa corrientemente para rectificar la tensión. Cuando la tensión de entrada se cambia (en el límite), el potencial en los dos terminales del diodo Zener permanece constante. Sin embargo, VIN se cambia con IZ, y el rango de entrada se limitará a las corrientes altas y bajas (IZK e IZM) del diodo.

 

Por ejemplo, si el rango ajustable es de 4 ma a 40 mA para el diodo Zener de la Fig. 12.34, entonces el potencial en la resistencia de 1 kW para la corriente mínima es de:

 

                    

                                                        Fig. 12.35(a)

 

 

 

Respuesta: La Fig. 12.35(b) representa el circuito equivalente de la Fig. 12.35(a). Cuando IZK = 1 mA, la tensión de salida es:

 

                    

Fig.12.35 (b) – Circuito Equivalente de la Fig.12.35 (a)

• Limitación con Diodos Zener

 

En aplicaciones con AC, el diodo Zener se puede usar para limitar la amplitud de la tensión. En la Fig.12.36 se muestran tres circuitos de limitación Zener. El circuito de la Fig.12.36 (a) es para limitar el pico positivo de tensión como tensión específica Zener. Para el medio ciclo, el diodo Zener actúa como un diodo normal bajo polarización directa, limita la tensión negativa a –0.7V. Sí el diodo Zener se invierte como se muestra en la Fig.12.36 (b), entonces el pico de tensión negativa está limitado en forma de tensión de disrupción del diodo. La tensión negativa está limitada a 0.7V. Sí se conectan dos diodos Zener en serie y espalda contra espalda, entonces las tensiones pico negativa y positiva están limitadas como tensiones Zener más 0.7V., como se muestra en la Fig.12.36 (c). Durante el ciclo positivo D2 funciona como diodo Zener, y D1 actúa como un diodo normal bajo polarización directa. Los papeles se cambian durante el ciclo negativo.

   

   

Fig.12.38

• Diodo Varactor

 

Básicamente, el diodo Varactor es una unión p-n bajo polarización inversa. Se aplica la polarización inversa en la unión p-n, y luego ambos lados de la región de disrupción  se convierten en las uniones de un capacitor. La región de disrupción inducida por la polarización inversa se convierte en el dieléctrico del capacitor debido a sus características de no conducción. Las regiones de tipo p y de tipo n se convierten en las placas del capacitor, como se muestra en la Fig.12.39.

                                        

Fig.12.39 – Un diodo Varactor bajo polarización inversa se puede convertir en un capacitor variable

 Cuando la polarización inversa aumenta, la zona de disrupción se hace más ancha. Por lo tanto el dieléctrico lo hará también. Esto disminuye la capacitancia. Sí la polarización inversa disminuye, la región de disrupción se hace más angosta y la capacitancia aumenta. Por lo tanto, la capacitancia de un diodo Varactor es inversamente proporcional a la polarización inversa, como se muestra en las Fig. 12.40 (a) y (b). La curva de capacitancia vs. tensón es tal como se muestra en la Fig.12.40 (c).

 

 

    

La capacitancia del diodo Varactor se controla mediante la concentración de dopaje, y el tamaño y forma del diodo mismo. La capacitancia del diodo puede ir desde pF hasta cientos de pF.
La Fig.12.41(a) a continuación es el símbolo de un diodo Varactor y la Fig.12.41(b) es el circuito equivalente donde Rs es la resistencia en serie inversa, y Cv es el capacitor variable.

                                               

                                               (a) símbolo            (b) circuito equivalente

Fig.12.41 – Diodo Varactor

El propósito principal de un diodo Varactor reside en los circuitos de modulación. Por ejemplo, todos los moduladores de equipos de televisión y radio utilizan diodos varactores.

 

 

 

En circuitos de modulación el diodo Varactor se puede usar como capacitor variable. La frecuencia modulada se puede ajustar por medio de la tensión variable. En la Fig.12.42, dos diodos Varactor constituyen los capacitores variables del circuito paralelo resonante.
La tensión variable DC puede controlar la polarización inversa del diodo, lo cuál significa que también pude controlar su capacitancia. La frecuencia resonante del circuito es:

              

Fig.12.42 – Diodos Varactor en circuito resonante

Ejemplo 12.8. El rango de capacitancia de un varactor es desde 5 pF hasta 50pF. Este diodo se puede usar en el circuito resonante de la Fig.12.42. Cuando L = 10 mH, determine el rango de resonancia.

Respuesta: El circuito equivalente es como se muestra en la Fig.12.43.
Nota: Los diodos varactor se conectan en serie. La capacitancia total mínima es:

                

La capacitancia total máxima es:

 

 

              

Fig.12.43

 

 

• Diodo Emisor de Luz (LED)

 

La operación básica de un LED es como sigue: cuando el dispositivo está bajo polarización directa, los electrones de la región n se mueven a través de la unión p-n y se combinan con los agujeros de la región p. En vista de que el electrón libre en la banda de conducción tiene un nivel más alto de energía que el agujero en la banda de valencia, cuando se recombinan, el electrón cede su energía, ya sea en forma de calor o de luz. En superficies expuestas de mayor tamaño en el semiconductor, los fotones se ven como luz visible. En la Fig12.44, este proceso se conoce como Luminiscencia Electrónica.

  

                                    
Fig.12.44 – Teoría de emisión de luz de un LED y su símbolo

 

 

                        
Fig.12.44 – Aspecto de diodos LED

 

La Fig.12.44(a) muestra a un LED bajo corriente directa, donde R es la corriente límite. La potencia lumínica es proporcional a la magnitud de la corriente, como se muestra en la Fig.12.45(b).

              
    (a) Operación directa            (b) Característica de luz vs. corriente directa

Fig.12.45 – Operación de un LED

 

En general la caída de tensión de un LED en funcionamiento es de unos cuantos voltios. Por ejemplo, el TIL222 es un LED de color verde donde la caída mínima de tensión es de 1.8V y la caída máxima de 3V. La magnitud de la resistencia para limitar la corriente se determina por la luminiscencia (es decir, la magnitud de la polarización directa). Generalmente, es de unos cientos de ohmios. En la Fig.12.45(a), E=5V la caída de tensión del LED es de 1.7V, iF debe ser de unos 20 mA. La resistencia R = (5 -1.7)V / 20mA=165 W.

Un LED generalmente se usa para mostrar situación de encendido y en pantallas digitales. Se usa ampliamente en instrumentos, productos de consumo y aplicaciones científicas. Estos LEDs generalmente se usan en pantallas con puntos decimales. La principal aplicación de los LEDs infrarrojos es en los acoplamientos por luz, utilizando generalmente fibras.

 

 

• Fotodiodos

 

Un fotodiodo es un dispositivo de unión p-n trabajando con polarización inversa, cuyo símbolo se muestra en la Fig.12.46(a). Il es la corriente inversa.

En el fotodiodo se dispone de una pequeña ventana transparente para dejar pasa la luz a la unión p-n. El símbolo se muestra en la Fig.12.46(b)

 

                          
       (a) Polarización inversa            (b) Otro símbolo

Fig.12.46 – Fotodiodo

 

Recuérdese que siempre habrá una pequeña corriente de fuga en el diodo rectificador bajo polarización inversa, y el fotodiodo tiene esa misma característica. En el diodo rectificador, la corriente inversa se incrementará cuando la temperatura también aumenta. La razón es que existen más pares de huecos – electrones inducidos a alta temperatura.

Sin embargo, el fotodiodo es un tanto diferente del diodo rectificador. Casi puede ignorarse la corriente Il, que corrientemente se le llama corriente oscura. Si se incrementa la intensidad de la luz (luminiscencia por unidad de área – lm/m2), entonces la corriente inversa se aumenta en la forma en que se muestra en la Fig.12.47(a). La Fig.12.47(b) muestra la curva característica de un fotodiodo bajo polarización inversa.

A partir de la curva característica en la Fig.12.47(b), sabemos que la corriente oscura para un dispositivo es de 25 mA bajo una polarización inversa de 3V. Por lo tanto la resistencia del dispositivo bajo condición no polarizada es:

 

              

Para una condición de polarización inversa con 3V y una luminiscencia de 25000 lm / m2 es de unos 375 mA. La resistencia bajo estas condiciones será de:

 

                        

Fig. 12.47 – Características de un fotodiodo típico

 

 

La Fig. 12.48 explica que en un fotodiodo no existe corriente inversa bajo condiciones nulas de luz. Cuando la luz brilla sobre el fotodiodo, la corriente inversa es proporcional a la luminiscencia.  

 

 

 

 

  

            

 

Fig. 12.48 – Operación de un fotodiodo

• Diodos Schottky

 

Los diodos Schottky se usan en alta frecuencia y en circuitos de conmutación de alta velocidad. También se llaman diodos de difusión en caliente. El símbolo se muestra en la Fig. 12.49.

  

                        

Fig. 12.49

El diodo Schottky se fabrica conectando un semiconductor dopado ( generalmente es del tipo n) con un metal (oro, plata o platino). Por lo tanto, la unión no es del tipo p-n. La Fig. 12.49(b) muestra la forma de la unión metal semiconductor.

En el diodo Schottky existen solamente portadores mayoritarios, y no hay  minoritarios. En la bande de conducción existen muchos electrones pero solamente unos pocos están dopados en el semiconductor de tipo n. Una vez que se aplica la tensión directa al diodo, los electrones en el material tipo n se moverán hacia la región metálica y dejarán escapar inmediatamente un tanto de energía. El diodo Schottky es diferente de un diodo tradicional, ya que no hay portadores minoritarios, y por lo tanto puede dar una respuesta muy rápida bajo tensión. Es lo que se puede llamar un diodo conmutador de alta velocidad. Por lo tanto, se puede usar en rectificación de señales de alta frecuencia, así como en circuitos digitales para reducir el tiempo de conmutación.

 

• Diodos Túnel

 

El diodo túnel tiene características de “resistencia negativa”, la cual es importante en la amplificación de microondas de osciladores. La Fig. 12.50 muestra los símbolos de los diversos diodos túnel.

  

              

 

 

Los diodos túnel se fabrican de germanio o de arseniuro de galio. En ese diodo se tienen concentraciones más altas en las regiones n y p que en los diodos corrientes. Como una alta concentración hace más angosta la región agotada, esto  hará que el diodo sea conductivo bajo polarización inversa, sin producir el efecto de disrupción, como se muestra en la Fig. 12.50(b).

Siendo la región de agotamiento más angosta, los electrones en esta región tendrán que pasar a manera de túnel hacia la unión p-n mediante polarización directa baja, actuando como conductor, según se muestra en la los puntos de A a B en la curva.

Una vez en el punto B, la tensión directa generará el efecto de barrera y por lo tanto la corriente disminuirá cuando la polarización se aumenta. Esta región es la región de resistencia negativa.

            

 

El efecto es opuesto a lo que indica la Ley de Ohm: la tensión aumenta,  y la corriente también. Una vez alcanzado el punto C, actúa como un diodo normal.

Un circuito resonante en paralelo se puede expresar mediante un capacitor, un inductor y una resistencia en paralelo. En la Fig. 12.51(a) , Rp es la resistencia equivalente en paralelo. Una vez que el circuito produce resonancia, generará una onda senoidal atenuada, como se muestra en la Fig. 12.51(b). Esta condición de atenuación es causada por la resistencia en el circuito resonante debido a que debe haber disipación de potencia cuando la corriente fluye a través de la resistencia. Esto se opone o se resiste a la oscilación continua.

            

Si el diodo túnel se conecta en serie con el circuito resonante, y se mantiene la polarización en la región de resistencia negativa, como se muestra en la Fig. 12.52, entonces la oscilación se mantendrá en la salida (onda senoidal constante). La razón es que el efecto de resistencia negativa cancelará la resistencia positiva del circuito resonante.

 

    

 
Fig. 12.52 – Oscilador de diodo túnel

 

 

• Diodo Láser

 

La luz de láser es monocromática. Esto significa que contiene un color único y ninguno otro dentro de la luz. La luz de láser también se llama luz coherente

 

porque tiene una única onda, o un rango de longitud de onda muy reducido. Es diferente de la luz no coherente, con un amplio espectro de longitud de onda.

La luz del diodo láser es luz monocromática, pero la luz de un LCD (pantalla de cristal líquido) es no monocromática. La Fig. 12.52(a) muestra la estructura básica del diodo láser. La unión p-n la forman dos capas de arseniuro de galio dopado (contaminado), y el tamaño de la unión p-n afectará la longitud de onda de la luz emitida. Uno de los lados de la unión es una superficie altamente reflectiva, y el otro lado es parcialmente reflectiva. En el exterior se encuentran pines del ánodo y el cátodo.

    

                  

Fig. 12.53 – Estructura básica y operación del diodo láser

 

La operación básica es la siguiente: Se aplica una polarización directa a la unión p-n, lo que hace que pasen electrones a través de la unión, y que haya una recombinación en la región agotada. Este proceso es igual que en un diodo normal. Cuando un electrón cae dentro de un agujero, se induce la recombinación y se libera un fotón. Este fotón liberado colisiona con un átomo y produce otro fotón. Toda esta acción aumenta la corriente directa. Habrá más electrones ingresando a la región agotada, liberando más fotones. Estos se diseminan al azar en la región agotada, y algunos de ellos colisionan en forma directa con la superficie reflectiva. Finalmente, cuando hay suficientes fotones, se forma un fuerte haz de luz láser, inyectados de la superficie parcialmente reflectiva de la unión p-n.

Los fotones generados mediante este procedimiento tienen la misma energía, la misma relación de fasor y frecuencia. Por lo tanto, la luz del diodo láser es de una única longitud de onda. Existe un valor crítico de corriente para este diodo.

Cuando la corriente es más baja que este valor, el diodo láser actúa como un LED normal, siendo la luz que emite no coherente.

Los diodos láser y los fotodiodos generalmente se usan en sistemas de lectura de señales de equipos CD (disco compacto). La señal de audio se almacena en el CD en forma digital. La luz del diodo láser puede enfocarse mediante una lente y luego dirigirla hacia la superficie del disco compacto. Cuando el disco rota, la lente y el haz de láser se activan y la señal almacenada cambia debido a los “baches  y partes “planas” en la superficie. La señal reflejada por la pista del disco se proyecta a través de la lente en el diodo infrarrojo, y luego la señal se recupera en forma de señales digitales de audio por el fotodiodo.

 

• Hoja de Datos de Diodos

 

La mayoría de los fabricantes de diodos suministran la información de sus productos en una hoja de datos, como referencia para su aplicación. Una especificación típica debe incluir el valor máximo, características eléctricas, características mecánicas y parámetros variables. En esta sección vamos a tomar un ejemplo para explicar la Hoja de Datos.

En la Tabla 12.1, se tiene una lista de las capacidades máximas de una serie de diodos rectificadores (IN4001 – IN4007). Estos son valores máximos seguros. Una vez que la corriente sobrepase estos valores, el diodo se daña.

Con el fin de mejorar la confiabilidad y la vida del diodo, éste siempre opera por debajo del valor máximo especificado. Este valor máximo por lo general se base en la operación a 25 º C. Una temperatura más alta podría disminuir su valor especificado.

 

La explicación de la Tabla 12.1 es la siguiente:

VRRM               Tensión inversa de pico máxima constante en el diodo. Bajo esta situación, N4001 es 50V e IN4007 es 1000V. Es igual al valor PIV.

VRSM               Tensión inversa de pico máxima discontinua en el diodo.

IO                    Corriente directa máxima promedio para rectificador de 60 Hz de onda completa.

IFSM                 Corriente directa máxima no repetible (1 ciclo). La Fig. 12.54 muestra los valores de corriente no repetible que exceden en más de 1 ciclo para 25 y 175 grados Centígrados. Las líneas a puntos implican los valores de falla de los dispositivos. Nota: en la línea continua inferior, el valor de la corriente para diez ciclos es de 15 A, pero la  misma para 1 ciclo es de 30 A.

 

 

Tabla 12.1

 

Valor	Símbolo	IN4001	IN4002	IN4003	IN4004	IN4005	IN4006	IN4007	Unidad
Valor de pico inverso continuo máximo	VRRM	50	100	200	400	600	800	1000	V
Valor de pico inverso discontinuo máximo	VRMS	60	120	240	480	720	1000	1200	V
Valor del efecto de tensión inversa	VR(rms)	35	70	140	280	420	560	700	V
Corriente directa promedio (60 Hz, TA = 75 ºC)	I0								A
Corriente directa máxima de pico no repetible	IFSM	30							A
Rango de temperatura de operación en la unión	Tj	- 65  +175							ºC

 

 

              

Fig. 12.54 – Corriente directa de pico máximo no repetible

 

 

 

 

 

• Resumen

• Según el modelo tradicional del Átomo de Bohr, los electrones se asemejan a planetas moviéndose alrededor de un núcleo en diferentes órbitas.
• El núcleo está compuesto de protones y neutrones. Los protones tienen carga positiva y los neutrones no poseen carga. La cantidad de protones y neutrones depende del peso atómico.
• Los electrones tienen carga negativa y se mueven alrededor del núcleo en diferentes órbitas. La distancia del electrón al  núcleo depende de su nivel de energía. Las órbitas de los electrones en el átomo son bandas discontinuas de energía. Se llaman “capas”, y se denominan como K, L , M. Cada capa tiene una cantidad máxima permisible de electrones. Bajo estado neutro, el átomo es neutro también debido a que tiene un número igual de protones y de electrones.
• La capa exterior del átomo se llama banda de valencia. Los electrones en la banda de valencia la abandonarán si obtiene suficiente energía del exterior.
• El silicio y el germanio tienen cuatro electrones en sus bandas de conducción. El silicio (sílice o silicón) es el material semiconductor más corriente.
• Un cristal es un material sólido compuesto de átomos que se unen entre sí mediante uniones llamadas “enlaces covalentes”. En una estructura cristalina, los electrones de valencia que abandonan su átomo original se convierten en electrones de conducción o electrones libres. Poseen más energía que los electrones en los lazos covalentes. Estos electrones libres se mueven libremente dentro del material. Cuando los electrones  abandonan los lazos covalentes y se convierten en electrones libres, se formarán al mismo tiempo agujeros (huecos), llamados parejas electrón – agujero. Estas parejas de electrón – hueco se generan por ionización térmica debido a que los electrones ganan su energía del exterior y rompen luego los lazos covalentes.
• Los electrones libres pierden su energía y ocupan los agujeros. A esto se le llama recombinación. Sin embargo, los pares electrón – hueco se generan en cualquier momento debido a la ionización térmica. Por lo tanto,  en el material siempre habrá electrones libres.
• Cuando se aplica una tensión a un semiconductor, los electrones libres se generan por ionización térmica. Estos electrones se mueven todos hacia una misma dirección y se convierten en una corriente. Esta corriente es intrínseca al conductor.
• Otra corriente es la de huecos. Los electrones de valencia llenan los agujeros y generan nuevos huecos, que actúan como electrones moviéndose en dirección opuesta.
• Un conductor tiene una gran cantidad de electrones, por lo que es fácil que la corriente transite. El aislador tiene solamente unos pocos electrones, por lo tanto no puede conducir la corriente a temperatura ambiente. La conductividad de un conductor intrínseco está entre la de un conductor y la de un aislador, por lo tanto, puede conducir pequeñas cantidades de corriente.
• Al agregar impurezas con electrones de valencia en un semiconductor, se forma material de tipo n. Estas impurezas son átomos con cinco electrones de valencia. Este proceso se llama dopaje o contaminación. Al agregar impurezas con tres electrones de valencia a un semiconductor se forma material de tipo p. Estas impurezas son átomos con tres electrones de valencia.
• Los portadores mayoritarios en un semiconductor de tipo n son electrones. Se generan por dopaje. Los portadores minoritarios son huecos causados por los pares electrón – hueco generados por ionización térmica. Los portadores mayoritarios en un semiconductor de tipo p son huecos. Se generan por dopaje. Los portadores minoritarios son electrones causados por los pares electrón – hueco generados por ionización térmica.
• Un material tipo n con otro material tipo p puede formar una unión p-n. La región cercana a la unión p-n se convierte en la región agotada. En ella no hay portadores mayoritarios. La zona de agotamiento se forma por ionización.
• La corriente solamente conduce a través de la unión p-n bajo polarización directa. Sin polarización o bajo polarización inversa, no hay corriente. Bajo polarización inversa, existen solamente pequeñas corrientes debido a los portadores minoritarios generados por ionización térmica. Esta pequeña corriente por lo general se puede ignorar. Una unión p-n simple puede formar un diodo semiconductor.
• Un diodo puede conducir corriente bajo polarización directa y ser resistivo a la corriente bajo polarización inversa.
• La tensión de barrera para un diodo de silicio bajo polarización directa es de 0.7V, y para el germanio es de 0.3V. Estos valores varían ligeramente con la magnitud de la corriente directa.
• Un diodo Zener funciona en la región de disrupción inversa.
• Cuando VZ < 5V,  la disrupción Zener es dominante. Cuando VZ > 5V, domina la disrupción de avalancha.
• En el rango de corriente Zener, la tensión en el diodo permanece constante.
• El diodo Zener se puede usar como rectificador de tensión y como limitador del circuito.
• La tensión de operación de un diodo Zener es de 1.8 v a 200V.
• Bajo polarización inversa, el diodo varactor funciona como un capacitor variable.
• La capacitancia de un diodo varactor es inversamente proporcional a la polarización inversa.
• En un diodo Schottky se tiene una unión metal – semiconductor. Su principal aplicación es en circuitos ON / OFF de mucha rapidez.
• El diodo túnel se puede usar en circuitos resonantes.
• Un LED emite luz bajo polarización directa.
•  Entre mayor sea la luminiscencia, el fotodiodo tendrá mayor corriente inversa.
• Cuando la corriente inversa excede el valor crítico, el diodo láser emite luz monocromática (onda única).

 

 

• Problemas

1. El átomo está compuesto de:
(1) Un núcleo y un electrón
(2) Un núcleo y más de un electrón
(3) Protones, electrones y neutrones
(4) (1) y (2)

2. El número de electrones del átomo de silicio es:
(1) 8
(2) 2
(3) 4
(4) 14

3. El número de electrones del átomo de germanio es:
(1) 8
(2) 2
(3) 4
(4) 32

4. Electrón de valencia es:
(1) El que orbita más cerca del núcleo
(2) El que orbita más lejos del núcleo
(3) El que se mueve alrededor del átomo y tiene una órbita variable
(4) No pertenece a un átomo en particular.

5. Forma en que se produce un ión positivo:
(1) El electrón de valencia se escapa del átomo
(2) La cantidad de huecos es mayor que la cantidad de electrones
(3) Se combinan mediante enlaces dos átomos
(4) El átomo adquiere electrones de valencia adicionales.

6. El material semiconductor más común usado en electrónica es:
(1) Germanio
(2) Carbón
(3) Cobre
(4) Silicio 

7. ¿Cómo se combinan los átomos en un semiconductor?
(1) Comparten el electrón de valencia
(2) Por la fuerza
(3) Mediante enlace covalente
(4) Todos los anteriores.

 

 

8. Cada átomo de cristal de silicio tiene:
(1) Cuatro electrones de valencia
(2) Cuatro electrones de conducción
(3) Ocho electrones de valencia, cuatro individuales y cuatro compartidos.
(4) Ningún electrón de valencia; todos los electrones de valencia son compartidos con otros átomos.

9. ¿De qué forma se induce la corriente en un semiconductor?
(1) Por un electrón solamente
(2) por un agujero solamente
(3) Por un ión negativo
(4) Por un electrón y un hueco.

10. En un semiconductor intrínseco:
(1) No hay electrón libre
(2) El electrón libre se genera por ionización térmica
(3) Hay sólo agujeros
(4) Existe la misma cantidad de electrones y agujeros.

11. Agregar impurezas a un semiconductor intrínseco se conoce como:
(1) Dopaje
(2) Recombinación
(3) Modificación de los átomos
(4) Ionización.

12. Al agregar tres electrones de impureza al silicio, éste se convierte en:
(1) Germanio
(2) Semiconductor tipo p
(3) Semiconductor tipo n
(4) Región de disrupción

13. ¿Cuál es el propósito de dopar con impurezas de cinco electrones de valencia?
(1) Reducir la conductividad del silicio
(2) Aumentar la cantidad de huecos
(3) Aumentar la cantidad de electrones
(4) Producir portadores minoritarios.

14.¿Cuál es el portador mayoritario en un semiconductor de tipo n?
(1) Un agujero (hueco)
(2) Un electrón de valencia
(3) Un electrón de conducción
(4) Un protón

15. Los agujeros en el semiconductor de tipo n son:
(1) Portadores minoritarios generados por ionización térmica
(2) Portadores minoritarios producidos por dopaje
(3) Portadores mayoritarios generados por ionización térmica
(4) Portadores mayoritarios producidos por dopaje
16. La región de disrupción contiene:
(1) Portadores minoritarios
(2) Iones
(3) Ningún portador mayoritario
(4) (1) y (2)

17. Bias (traducido como polarización) es:
(1) La relación entre portadores mayoritarios y minoritarios
(2) La magnitud de la corriente a través de la unión p-n
(3) Tensión directa externa para controlar el dispositivo.
(4) Todos los anteriores.

18. ¿Cómo se forma la un diodo de unión p-n bajo polarización directa?
(1) Se conecta el ánodo con el terminal positivo de la fuente externa de tensión,
y el cátodo con el terminal negativo.
(2) Se conecta el ánodo con el terminal positivo de la fuente externa de tensión,
y el cátodo con el terminal negativo.
(3) Se conecta el nodo p con el terminal positivo de la fuente externa de tensión, y el nodo n con el terminal negativo.
(4) (1) y (2)

19. ¿Qué sucede cuando se tiene una unión p-n bajo polarización directa?
(1) Un flujo de huecos únicamente.
(2) Un flujo de electrones únicamente
(3) Una corriente de portadores mayoritarios únicamente
(4) Se genera una corriente por los huecos y los electrones

20. Aunque la polarización (bias) se resiste a la corriente:
(1) Siempre se tiene una corriente de portadores mayoritarios
(2) Se induce solamente una pequeña corriente por los portadores minoritarios
(3) Se tiene una corriente de avalancha.

21. En un diodo de silicio, la polarización:
(1) Debe ser mayor de 0.3 V
(2) Debe ser mayor de 0.7 V
(3) Depende la del ancho de la zona agotada
(4) Depende de la concentración de portadores mayoritarios

22. Un diodo Zener tiene una tensión Zener de 3.6 V y opera en
(1) Disrupción ajustable
(2) Disrupción Zener
(3) Polarización directa
(4) Disrupción por acumulación.

23. En un diodo Zener de 12V, cuando hay un cambio de corriente Zener de 10 mA produce un cambio de 0.1V en la tensión Zener. ¿Cuál es la resistencia Zener de esta corriente?
(1) 1 W
(2) 100 W

(3) 10 W
(4) 0.1 W

24. De acuerdo con las Hojas de Datos, un diodo Zener tiene IZT = 500 mA cuando Vz = 10V. ¿Cuál es el valor de RZ?
(1) 50 W
(2) 20 W
(3) 10 W
(4) Desconocido

25. En un diodo varactor:
(1)  La capacitancia cambia con la polarización inversa
(2) La resistencia cambia con la polarización inversa
(3) La capacitancia cambia con la polarización directa

• Se tiene capacitancia constante dentro del rango de polarización inversa

26. Un LED:
(1) Emite luz bajo polarización inversa.
(2) Es sensible a la luz bajo polarización inversa
(3) Emite luz bajo polarización directa
(4) Funciona como una resistencia variable.

27. La resistencia interna de un fotodiodo:
(1) Aumenta con la luminiscencia bajo polarización inversa
(2) Disminuye con la luminiscencia bajo polarización inversa
(3) Aumenta con la luminiscencia bajo polarización directa
(4) Disminuye con la luminiscencia bajo polarización inversa

28. El diodo con características de resistencia negativa es:
(1) Un diodo Schottky
(2) Un diodo túnel
(3) Un diodo láser
(4) Un diodo  portador de calor.