¿Qué es el diodo?
En general, todos los dispositivos electrónicos necesitan una fuente de alimentación de CC, pero es imposible generar energía de CC, por lo que necesitamos una alternativa para obtener algo de energía de CC, por lo que el uso de diodos entra en escena para convertir la energía de CA en energía de CC. Un diodo es un componente electrónico pequeño usado en casi todos los circuitos electrónicos para permitir el flujo de corriente en una sola dirección (dispositivo unidireccional). Podemos decir que el uso de materiales semiconductores para construir los componentes electrónicos se inició con diodos. Antes de la invención del diodo, había tubos de vacío, donde las aplicaciones de ambos dispositivos son similares, pero el tamaño ocupado por el tubo de vacío será mucho mayor que los diodos. La construcción de los tubos de vacío es un poco compleja y son difíciles de mantener en comparación con los diodos semiconductores. Pocas aplicaciones de diodos son la rectificación, la amplificación, el interruptor electrónico, la conversión de energía eléctrica en energía luminosa y la energía luminosa en energía eléctrica.
Historia del diodo:
En el año 1940 en Bell Labs, Russell Ohl estaba trabajando con un cristal de silicona para descubrir sus propiedades. Un día, accidentalmente, cuando el cristal de silicio que tiene una grieta estaba expuesto a la luz del sol, encontró el flujo de corriente a través del cristal y que más tarde se llamó diodo, que fue el comienzo de la era de los semiconductores.
Construcción de diodo:
Los materiales sólidos generalmente se clasifican en tres tipos: conductores, aislantes y semiconductores. Los conductores tienen un número máximo de electrones libres, los aisladores tienen un número mínimo de electrones libres (insignificante, por lo que no es posible el flujo de corriente), mientras que los semiconductores pueden ser conductores o aisladores, dependiendo del potencial que se le aplique. Los semiconductores de uso general son silicio y germanio. Se prefiere el silicio porque está disponible en abundancia en la tierra y proporciona un mejor rango térmico.
Los semiconductores se clasifican además en dos tipos como semiconductores intrínsecos y extrínsecos.
Semiconductores intrínsecos:
Estos también se denominan semiconductores puros donde los portadores de carga (electrones y agujeros) están en igual cantidad a la temperatura ambiente. De modo que la conducción de la corriente tiene lugar tanto por los agujeros como por los electrones por igual.
Semiconductores extrínsecos:
Para aumentar el número de agujeros o electrones en un material, optamos por semiconductores extrínsecos donde se agregan impurezas (distintas del silicio y el germanio o simplemente materiales trivalentes o pentavalentes) al silicio. Este proceso de agregar impurezas a los semiconductores puros se llama Doping.
Formación de semiconductores tipo P y N:
Semiconductor tipo N:
Si se agregan elementos pentavalentes (el número de electrones de valencia son cinco) al Si o Ge, entonces hay electrones libres disponibles. Como los electrones (portadores con carga negativa) son más numerosos, se les llama semiconductores de tipo N. En el tipo N, los electrones semiconductores son portadores de carga mayoritarios y los orificios son portadores de carga minoritarios.
Pocos elementos pentavalentes son el fósforo, el arsénico, el antimonio y el bismuto. Dado que estos tienen un electrón de valencia excesivo y están listos para emparejarse con la partícula externa cargada positivamente, estos elementos se denominan Donantes.
Semiconductor Tipo P
De manera similar, si elementos trivalentes como el boro, el aluminio, el indio y el galio se agregan a Si o Ge, se crea un agujero porque hay varios electrones de valencia en él. Dado que un orificio está listo para aceptar un electrón y emparejarse, se denomina Aceptadores. Como el número de orificios es excesivo en el material recién formado, se denominan semiconductores de tipo P. En los semiconductores de tipo P, los portadores de carga son mayoritarios y los electrones son portadores de carga minoritarios.
Diodo de unión P-N:
Ahora, si unimos los dos tipos de semiconductores tipo P y tipo N juntos, se forma un nuevo dispositivo llamado diodo de unión P-N. Dado que se forma una unión entre un tipo P y un material tipo N, se denomina unión P-N.
La palabra diodo puede explicarse como "Di" significa dos y "oda" se obtiene del electrodo. Como el componente recién formado puede tener dos terminales o electrodos (uno conectado al tipo P y el otro al tipo N) se denomina diodo o diodo de unión P-N o diodo semiconductor.
El terminal conectado al material de tipo P se llama ánodo y el terminal conectado al material de tipo N se llama cátodo.
La representación simbólica del diodo es la siguiente.
La flecha indica el flujo de corriente a través de él cuando el diodo está en modo polarizado hacia adelante, el tablero o el bloque en la punta de la flecha indica el bloqueo de corriente desde la dirección opuesta.
Teoría de la unión P-N:
Hemos visto cómo se fabrica un diodo con semiconductores P y N, pero necesitamos saber qué sucede dentro de él para formar una propiedad única de permitir la corriente en una sola dirección y qué ocurre en el punto exacto de contacto inicialmente en su unión.
Formación de la unión:
Inicialmente, cuando ambos materiales se unen (sin que se aplique ningún voltaje externo), el exceso de electrones en el tipo N y el exceso de agujeros en el tipo P se atraen entre sí y se recombinan donde se forman los iones inmóviles (ión donante). y el ión aceptor) se lleva a cabo como se muestra en la siguiente imagen. Estos iones inmóviles resisten el flujo de electrones o agujeros a través de él, que ahora actúa como una barrera entre los dos materiales (la formación de barrera significa que los iones inmóviles se difunden en las regiones P y N). La barrera que ahora se forma se llama región de agotamiento. El ancho de la región de agotamiento en este caso depende de la concentración de dopaje en los materiales.
Si la concentración de dopaje es igual en ambos materiales, los iones inmóviles se difunden en los materiales P y N por igual.
¿Qué pasa si la concentración de dopaje difiere entre sí?
Bueno, si el dopaje difiere el ancho de la región de agotamiento también difiere. Su difusión es más en la región ligeramente dopada y menos en la región fuertemente dopada.
Diodo en polarización delantera:
Para hacer que el diodo conduzca primero, necesitamos romper la barrera formada en el camino. Para romper una barrera dentro de un diodo normal, se debe aplicar a los terminales un voltaje mínimo de +0.7 voltios (para silicio) y +0.3 voltios (para germanio). Estos voltajes se denominan voltaje de corte o voltaje de compensación o voltaje de punto de interrupción o voltaje de disparo o voltaje de umbral. Hasta que estos voltajes sean muy menores, la corriente fluye a través del diodo (idealmente cero).
Si se aplica un terminal positivo de la batería o una fuente de voltaje a la región del ánodo o P del diodo y al terminal negativo de la región del cátodo o N del diodo, se dice que tiene polarización directa.
Debido al sesgo directo, la mayoría de los portadores de carga en ambas regiones se repelen (porque el voltaje positivo se aplica a la región P y el negativo a la región N) y entran en la región de agotamiento. Por lo tanto, los iones inmóviles recuperan las portadoras perdidas, se vuelven neutrales y se mueven a una región no empobrecida. Por lo tanto, el ancho de la barrera disminuye gradualmente, cuando la tensión aplicada es mayor o igual a la tensión de corte, toda la barrera se destruye y los electrones y los orificios ahora están libres. cruce la unión que luego forma un circuito cerrado y permite el flujo de corriente.
Diodo en polarización inversa:
Si el terminal negativo de una fuente de voltaje se aplica al ánodo o la región P del diodo y el terminal positivo al cátodo o la región N del diodo, se dice que está polarizado en sentido inverso.
Cuando se aplica dicho voltaje, la mayoría de los portadores de carga en ambas regiones se sienten atraídos hacia la fuente, de manera que se crean grandes cantidades de iones inmóviles y entran en las regiones P y N. Por lo tanto, el ancho de la región de agotamiento también aumenta gradualmente, lo que ahora es difícil para los electrones y los orificios para cruzar la unión, por lo que se forma un circuito abierto y fluye la corriente. Pero si continuamos incrementando el voltaje, en una barrera de punto o región de agotamiento no podemos retener la fuerza externa y la unión se rompe, lo que a veces puede causar el daño normal del diodo de forma permanente. Para superar esto, podemos dopar fuertemente las regiones y poner el diodo a salvo, esta aplicación se puede ver en los diodos zener.
La tensión inversa a la que conduce el diodo se denomina tensión de descomposición.
Como el diodo en polarización inversa actúa como un interruptor abierto, su resistencia está en el orden de los megaohmios.
Cuando se aplica la tensión inversa al diodo, una pequeña cantidad de corriente fluye en el circuito debido a los portadores de carga minoritarios, lo que generalmente se denomina corriente de saturación inversa. Estas corrientes también se denominan corrientes de fuga porque incluso cuando el diodo está en circuito abierto, la corriente existe en el circuito, por lo que se denomina fuga.
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