El diodo de unión P-N.

El diodo de unión PN

Como están amigos en esta entrada “El diodo de unión P-N “quería hablarles de este pequeño y humilde pero a la vez extraordinario componente electrónico que ha ayudado mucho al avance de nuestra tecnología.

Trataremos de explicar a continuación todos los detalles de su funcionamiento:

Un amigo viajero llamado electrón.

Para que exista una corriente eléctrica es decir un flujo de electrones, estos deben contar con un medio físico adecuado para poder movilizarse. En nuestro mundo se han clasificado 3 tipos de materiales dependiendo precisamente de su capacidad para facilitar o limitar el viaje de nuestros amigos los electrones:

  1. Aislantes: No permiten el paso o flujo de electrones. Ejemplo la madera o el papel.
  2. Semiconductores : Su capacidad para transportar electrones es modificable. Mmmmmm ejemplo el silicio y el germanio.
  3. Conductores: Son excelentes medios de transporte de cargas eléctricas. ejemplo los metales como el cobre, el oro o la plata.

Los materiales semiconductores son ideales para el mundo de la electrónica ya que nos permiten controlar o variar sus características conductivas mezclándolos con otros materiales.

Pero alguna vez te has preguntado como es que logramos que un electrón y su carga se muevan dentro de estos distintos materiales. ?

Que es lo que sucede en ese mundo que no vemos pero que sin embargo ha moldeado todo nuestro mundo. ?

Antes de seguir avanzando debes guardar en tu mente el siguiente conocimiento:

  • La carga de un electrón se mide en Coulomb
  • La carga de un solo electrón es negativa y es :  −1,6 × 10−19 C
  • 1 Coulomb esta formado por 6,24 10E18 electrones.
  • Los electrones se desplazan del polo negativo al positivo en un circuito debido a la fuerza generada por un potencial eléctrico llamado también voltaje.
  • Para que un electrón o grupo de electrones se desplace y genere una corriente eléctrica antes debe separarse o abandonar su átomo. Al hacerlo abandonaran sus átomos convirtiéndolos en iones POSITIVOS.
Electrones en el diodo

El Germanio y el Silicio : los Semiconductores.

El germanio y el silicio son los materiales semiconductores por excelencia y esto se debe a la configuración electrónica de sus átomos.

No necesitas ser un físico teórico para entender todas estas cosas pero si es necesario tener un conocimiento básico previo de la estructura del átomo y algunas nociones de mecánica cuántica para poder avanzar sin problemas en el estudio de los semiconductores.

Cada uno de estos dos elementos GE y SI posee 4 electrones en su ultima capa de energía. Los electrones de los niveles internos no juegan ningún papel en la conductividad eléctrica.

Son precisamente estos 4 electrones ubicados en la ultima capa de energía de estos materiales los que hacen que formen unas hermosas estructuras de enlaces covalentes con sus semejantes vecinos.

semiconductores silicio germanio

El cero absoluto, la temperatura ambiente y el aumento de calor.

Esto de las temperaturas, si te interesa el mundo de la electrónica y los semiconductores, debes entender. Por que ? por que los materiales semiconductores cambian sus propiedades conductivas a medida que las temperaturas también varían.

  • Esta confirmado que a 0 grados Kelvin o cero absoluto los semiconductores se comportan como materiales aislantes.
  • Esta confirmado también que a temperatura ambiente o lo que es lo mismo 300 kelvin aprox. los semiconductores puros mejoran sus propiedades conductivas. Es decir el solo hecho de estar en el ambiente genera que algunos electrones de estos elementos se liberen de sus atamos y puedan participar en un flujo eléctrico.
  • Si un material semiconductor se calienta demasiado puede empeorar su capacidad conductiva. Considerar esto es muy importante por que todo circuito eléctrico siempre se calienta.
Temperatura semiconductores.

Sigamos avanzando.

Iones positivos e Iones Negativos.

En electrónica y semiconductores se habla mucho de estos tipos de átomos así es que debemos recordar que son cada uno de ellos y como se consigue este tipo de estado.

En primer lugar están los electrones neutros es decir con carga neutra, debido a que tienen sus electrones completos en todos sus niveles de energía.

Sin embargo por acción de fuerzas externas como la temperatura o una fuerza electromotriz algunos de los electrones del átomo pueden escapar dejándolo IONIZADO.

  • Un ion Positivo es un átomo con carga eléctrica neta Positiva debido a que ha perdido uno o mas de sus electrones. También se le conoce como catión.
  • Un ion negativo es un átomo con carga neta negativa que ha ganado uno o mas electrones También se le conoce como anión.

En semiconductores se habla mucho de átomos ionizados y esto se debe a que los electrones al viajar dentro de la estructura cristalina del semiconductor continuamente están abandonando un átomo y migrando hacia otros dejando a su paso una cadena de iones positivos e iones negativos.

La Banda de valencia y la banda de conducción.

Como ya hemos mencionado, para que nuestros amigos los electrones puedan desplazarse necesitan primero liberarse de sus átomos. Debemos antes de seguir avanzando en la explicación, conocer que los electrones que se liberan de los átomos son siempre los electrones de valencia, es decir los que se encuentra formando los enlaces con los átomos vecinos.

Un semiconductor puro ya sea germanio o silicio sometido a la temperatura ambiente sin estar conectado a ninguna fuente de voltaje es capaz de liberar algunos POCOS electrones de valencia de sus átomos.

Lograr que mas electrones se liberen de sus átomos y participen del flujo de corriente en un circuito es el gran logro de la electrónica.

Mas adelante veremos como logramos que se liberen mas electrones para mejorar la conductividad tanto del germanio y el silicio.

Debemos detenernos un momento en este punto para señalar que un electrón covalente puede saltar a un nivel de energía tanto inferior como superior.

Si salta a un nivel inferior libera un cuanto de energía.

Si salta a un nivel superior absorbe un cuanto de energía.

Ahora lo que nos importa para el flujo eléctrico es mas el segundo caso, cuando el electrón da un salto a un nivel superior o mejor dicho se libera de su átomo.

Entonces cuando un electrón de valencia absorbe energía debido a la temperatura ambiente se dice que se libera de la Banda de valencia y salta a una banda llamada Banda de conducción.

Y todos los electrones que logran liberarse de sus enlaces covalentes y que ahora se encuentren en la banda de conducción podrán participar de la corriente eléctrica como electrones libres.

La energía necesaria para la liberación de los electrones en un semiconductor puro se puede lograr tan solo con la temperatura ambiente.

diodo bandas de conducción y banda de valencia

La pareja HUECO – ELECTRON.

Al liberarse un electrón de la banda de valencia digamos que por efecto de la temperatura ambiente y dirigirse hacia la banda de conducción dejara un lugar vacío en el átomo que abandona.

El átomo que ahora esta con un electrón faltante se convierte en un ION positivo y mientras tenga ese electrón faltante se llamara HUECO.

Este hueco inicial intentara llenar ese lugar vacío y atraerá otro electrón cercano el cual a su vez al abandonar su átomo dejara otro HUECO.

El hecho de que un átomo HUECO en un momento recupere su electrón faltante quitándole un electrón al átomo vecino genera que ahora el HUECO este en el átomo vecino.

Debemos entender aquí que el átomo HUECO no se mueve, solo que el efecto de llenado y vaciado de su electrón es lo que genera un efecto de desplazamiento.

Como puedes darte cuenta al liberarse un electrón siempre tendremos también un HUECO.

Y esto por que es importante ?

Por que tanto los huecos y los electrones LIBRES son los que participan en el flujo de corriente eléctrica.

Ten en cuenta que debido a la acción del campo eléctrico los átomos Huecos se desplazan hacia el lado negativo o ánodo de la batería y los electrones viajeros se dirigen siempre hacia el lado positivo o cátodo.

diodo conducción extrinseca

El dopado de los semiconductores.

Ahora ya sabemos que para lograr un flujo eléctrico primero debemos lograr arrancar los electrones de las bandas de valencia inicialmente por medio de energía térmica y lograr llevarlos a la banda de conducción.

Para que luego al aplicar un voltaje la corriente eléctrica empiece a circular.

Pero un semiconductor puro ya sea el silicio o el germanio solo será capaz de liberar unos pocos electrones y al mismo tiempo como ya hemos visto se crearan el mismo numero de huecos.

Al existir el mismo numero de huecos y de electrones libres se logra una pobre corriente eléctrica.

A esta pobre conductividad eléctrica de los semiconductores puros se le denomina conductividad Intrínseca.

Y como es obvio para que exista un buen flujo de corriente necesitaremos una mayor cantidad de ELECTRONES y de HUECOS.

Para lograr esto se INSERTA en la estructura atómica de estos semiconductores otros elementos denominados DONANTES.

A este procedimiento se le denomina dopado.

Ahora para conseguir un mayor numero de electrones se inserta en la estructura del silicio o del germanio un elemento que contenga 5 electrones de valencia por ejemplo el Fosforo (P).

Este elemento utilizara 4 de sus electrones para enlazarse con los demás átomos del silicio y su quinto electrón quedara débilmente unido a la estructura.

Con este donante logramos tener una gran cantidad de electrones débilmente unidos a la red cristalina y listos para saltar a la banda de conducción. Obtenemos un semiconductor tipo N.

Por el contrario si queremos obtener un mayor numero de HUECOS insertamos en la estructura del semiconductor puro un elemento que contenga solo 3 electrones de valencia por ejemplo el BORO (B) para lograr enlaces covalentes incompletos y listos para recibir un cuarto electrón . Obtenemos así un semiconductor tipo P.

Con el dopado P y N de los semiconductores logramos obtener una gran cantidad de electrones y huecos listos para participar de la conductividad eléctrica.

A la conductividad mejorado del semiconductor gracias al dopado se le denomina conductividad EXTRINSECA.

diodo dopado de seminconductores

Portadores Mayoritarios y Minoritarios.

Este par de denominaciones es importante que lo tengas bien en claro.

Debido a que los procesos de dopado no son perfectos en los semiconductores tendremos la siguiente situación :

En el semiconductor TIPO N existen una gran cantidad de electrones debido al material dopante, sin embargo también existirán algunos cuantos Huecos pocos pero existirán.

En este caso se dice que en el material tipo N los electrones son los Mayoritarios y los Huecos son los Minoritarios.

Del mismo modo en el material TIPO P existirán una gran cantidad de HUECOS , sim embargo en este material también se encontraran algunos electrones libres.

En este caso se dice que en el material tipo P los Huecos son los Mayoritarios y los electrones los Minoritarios.

diodo de unión PN

UNION P – N

Un diodo estará formado entonces por la unión de un semiconductor TIPO P y un semiconductor TIPO N.

Luego de la unión física de estos dos tipos de semiconductores a temperatura ambiente y sin estar sometidos a una diferencia de potencial o voltaje, algunos de los electrones libres del material tipo N de los que se encuentran cerca a la zona de unión logran cruzar a la zona P.

A esto se le conoce como proceso de difusión.

Estos pocos electrones que logran cruzar la barrera dejan a sus átomos en la zona N convertidos en IONES POSITIVOS y luego de cruzar la barrera se unen a los átomos Huecos de la zona P y al unirse a ellos forman ahora en esa zona IONES NEGATIVOS.

Todo esto sucede en el limite de la unión de ambos materiales.

La barrera de Potencial del diodo.

Es decir que por cada electrón que cruza del Lado N al lado P se forma también un ION positivo en la zona N y un ION negativo en la zona P. Esto genera a su vez lo que se denomina una corriente de recombinación.

Entonces, estos iones tanto positivos como negativos que se van formando en la unión forman una zona denominada zona de carga espacial o zona de deplexión.

Por otro lado las cargas positivas (HUECOS ) y negativas (ELECTRONES) que han quedado separadas debido a la formación de este grupo de IONES en el limite de la unión de ambos materiales se les denomina CARGAS DESCUBIERTAS y estas cargas descubiertas generaran un pequeño campo eléctrico y a la vez una pequeña diferencia de potencial es decir voltaje y que será de aproximadamente 0.7 voltios en el Silicio y 0.3 en el germanio.

A esta pequeña zona de campo eléctrico se le conoce también como la barrera de potencial del diodo el cual se opondrá a que el proceso de difusión de cargas se siga produciendo.

Ojo este voltaje del potencial de barrera aparece sin que el diodo este conectado a una batería.

diodo barrera de potencial

Polarización directa del diodo.

Todo lo que hemos descrito y ha sucedido con nuestro diodo hasta el momento ha sucedido sin la presencia de una tensión externa.

Ahora vamos a describir que sucede cuando polarizamos un diodo con una fuente de voltaje externo por ejemplo una bateria.

Si conectamos el polo positivo de una batería al material tipo P y el polo negativo al material tipo N se dice que estamos polarizando al diodo de forma directa.

Debido a la fuerza electromotriz aplicada todos los electrones libres de la zona N tendrán ahora la energía suficiente para viajar hasta el terminal positivo de la batería.

En realidad esto se logra cuando la batería que se conecta supera los 0,7 voltios de la barrera de potencial.

En ese momento ya tenemos una corriente eléctrica debido a que los portadores mayoritarios del semiconductor tipo N y que se desplazan hasta el semiconductor tipo P, inmediatamente son reemplazados por mas electrones que llegan del terminal negativo de la batería (Ánodo) generando un hermoso flujo constante de electrones viajeros dentro de nuestro circuito eléctrico.

diodo polarización directa

Polarización Inversa del diodo.

Antes de avanzar, en este punto déjame comentarte que la polarización inversa del diodo es tan importante como la polarización directa ya que el diodo es principalmente utilizado como un rectificador de corrientes alternas en donde ambos tipos de polarizaciones tienen la misma importancia.

Así que vamos a revisarla.

Cuando se conecta el terminal negativo de la batería con el material tipo P del semiconductor y el terminal positivo de la batería con el material Tipo N se dice que el diodo esta polarizado de forma inversa.

En esta configuración la zona de carga espacial aumenta y la circulación de corriente debería ser 0.

Sin embargo por efecto de la temperatura se crea una pequeña corriente debido a los portadores minoritarios de ambos materiales denominada Corriente inversa de saturación, la cual solo existe en la polarización inversa y depende únicamente de la temperatura.

diodo polarización inversa

El Recorrido de los electrones en el circuito del Diodo.

Y finalmente con todos los detalles previamente explicados podemos describir como circulan los electrones dentro de un circuito con diodo polarizado de forma directa.

  1. Antes de conectar la batería al circuito muchos de los electrones del material tipo N ya se habrán desprendido de sus átomos y se encontraran listos para fluir en la banda de conducción. Esto debido a la temperatura ambiente.
  2. También, antes de que se conecte la batería se habrá creado la zona de carga espacial en la unión del material tipo N y Tipo P, al mismo tiempo la barrera de potencial de 0.7 Voltios se habrá creado.
  3. Al momento de conectar la batería el voltaje aplicado vencerá la barrera de potencial y atraerá a todos los electrones del material tipo N que estaban en la banda de conducción hacia el polo positivo de la batería.
  4. Todos los electrones que estaban en la banda de conducción del material tipo N saltaran a la banda de conducción del material tipo P y luego bajaran a su banda de valencia liberando energía en forma de calor, para luego abandonarla y utilizar el hilo de cobre como medio de transporte para llegar al polo positivo de la batería.
  5. Un detalle importante y curioso del punto 4 cuando los electrones bajan a la banda de valencia es que si se tratase de un Diodo Led, en lugar de emitir energía en forma de calor emitirían Luz. Ahora ya sabes por que emite luz un diodo Led.
diodo led emisor de luz
http://wikifisica.etsit.upm.es/index.php/Archivo:Ledef.gif
  1. Al tiempo que los electrones abandonan la banda de conducción del material Tipo N, otros electrones provenientes de la batería ocuparan sus lugares e iniciaran nuevamente el viaje hasta el polo positivo de la batería.
  2. El proceso se repetirá hasta que la carga de la batería se haya agotado y no hayan mas electrones ni fuerza electromotriz capaz de reactivar el circuito.

La ecuación del Diodo de unión PN.

Todo lo descrito anteriormente es la parte teórica del estudio de los diodos.

Sin embargo para el diseño de circuitos se debe manejar la siguiente formula:

formula del diodo

El valor de la constante n dependerá del tipo de material del diodo, si es germanio es 1 si es silicio 2.

Veamos como se aplica esta formula para hallar la corriente y voltaje de un diodo de germanio dentro del siguiente circuito de ejemplo.

circuito diodo

La primera formula que podemos aplicar es:

ecuación del diodo

Este tipo de ecuaciones por ser de tipo trascendente no se pude resolver de forma directa existen otras formas de resolverlo como aplicando métodos gráficos o de tanteo.

Nosotros usaremos la potencia de la tecnología para hallar el Valor de Vd.

Por medio de un simulador de la calculadora Casio Fx.

Ingresaremos toda la ecuación junto con la variable y la potencia de calculo del simulador nos entregara el resultado.

diodo ecuación del diodo

y el resultado para el valor de Vd:

ecuación del diodo

Con el valor de Vd encontrado ya podemos también encontrar la I del circuito.

Solo debemos reemplazar el valor de Vd en la ecuación mas simple y encontrar los valores:

circuito diodo

A continuación la grafica de las curvas de un diodo de unión PN.

Tener en cuenta que existen diversas curvas de trabajo de los distintos tipos de diodos que existen.

recta del diodo

Eso ha sido todo amigos en este post ” El diodo de unión P-N ” esperamos que esta info en algún momento te se a de utilidad.

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