Diodos Semiconductores: Fundamentos y Aplicaciones

Apunte de apoyo para el alumno.

Asignatura: Electrónica Discreta e Integrada

Profesor: Alejandro Inda Rodríguez

Año: 2012

1. Característica General del Diodo Semiconductor

En la característica general del diodo de silicio, mostrada en la Figura 1, se observa que la escala vertical (I) está en miliamperios (aunque en algunos casos puede estar en amperios) y la escala horizontal en la región de polarización directa (V) tiene un máximo de 1 voltio. Por lo tanto, en general, el voltaje a través de un diodo polarizado en forma directa será inferior a 1 voltio. Observe también la rapidez con que se incrementa la corriente después del punto de inflexión de la curva de respuesta.

Figura 1: Curva Característica de un Diodo Real

Empleando la física del estado sólido, se puede demostrar que las características generales de un diodo semiconductor se pueden definir mediante la Ecuación 1, para las regiones de polarización directa e inversa.

Donde:

• I_S = Corriente de saturación inversa
• K = 11.600 / h; con h = 1 para Ge y h = 2 para Si
• T_K = T_C + 273° (Temperatura en grados Kelvin)

2. Terminales de los Diodos

La simbología que más se suele utilizar para diodos semiconductores se presenta en la Figura 2. Para la mayor parte de los diodos, cualquier marca, punto, banda o símbolo, aparece indicando el extremo del cátodo. La terminología ánodo y cátodo es una herencia de la notación de las válvulas. El ánodo se refiere a un potencial mayor o positivo y el cátodo se refiere a un terminal con potencial más bajo o negativo. Estas combinaciones de niveles de polarización darán como resultado una condición de polarización directa o «encendido» para el diodo.

Si el diodo semiconductor está polarizado directamente, la resistencia entre sus terminales será baja; sin embargo, si el diodo se polariza inversamente, su resistencia será muy alta.

Figura 2: Simbología y Terminales del Diodo Semiconductor

3. Tipos de Diodos

Existen varios dispositivos de dos terminales que tienen una sola unión p-n, pertenecientes a la familia de los diodos y que tienen diferentes modos de operación, características y áreas de aplicación. Estos dispositivos serán presentados a continuación:

3.1. Diodos Zener

Mientras que los diodos rectificadores convencionales están diseñados para evitar la ruptura inversa, los diodos Zener están específicamente fabricados para operar de manera confiable en esta región. El potencial de ruptura inversa (V_Z) en diodos semiconductores de silicio y germanio puede ser muy alto (por ejemplo, 1000 V para Si y 400 V para Ge en diodos rectificadores). Sin embargo, al incrementar los niveles de dopado en los materiales tipo n y tipo p, se logra disminuir el potencial Zener (V_Z) a niveles mucho más bajos y controlados, como por ejemplo, un voltaje de -5 V. Los diodos que utilizan esta porción única de la característica de polarización inversa de la unión p-n son los diodos Zener (Figura 4).

Figura 4: Curva Característica de un Diodo Zener

3.1.1. Aspecto Físico del Diodo Zener

El diodo Zener es un diodo que, bajo condiciones normales (es decir, polarizado en directa), se comporta de manera similar a un diodo rectificador normal. Pero cuando se polariza en inversa, tiene la propiedad de regular o limitar a un valor determinado el voltaje entre sus terminales. Por esta razón, es muy utilizado en fuentes de tensión como referencia o en circuitos que requieren estabilizar algún nivel de tensión, logrando así mantener constante dicha tensión en algún punto del circuito. El voltaje específico de cada diodo lo determina el fabricante; por lo tanto, en el mercado se pueden conseguir desde 1.8 V hasta 200 V, con rangos de potencia desde ¼ vatios hasta 50 vatios. Su aspecto físico se aprecia en la Figura 5.

Figura 5: Aspecto Físico de Diodos Zener Comunes

Para el diodo Zener, la dirección de la corriente de conducción en la región Zener es opuesta a la flecha del símbolo (ver Figura 6). La identificación de los terminales del diodo Zener es similar a lo indicado anteriormente, pues estos también tienen una marca, punto, banda o símbolo que indica el extremo del cátodo.

Figura 6: Símbolo y Terminales del Diodo Zener

3.2. Diodo Emisor de Luz (LED)

Como su nombre lo indica, el diodo emisor de luz (LED) es un diodo que emite luz visible cuando se polariza. En cualquier unión p-n con polarización directa existe, dentro de la estructura y en forma primaria cerca de la unión, una recombinación de huecos y electrones. Esta recombinación requiere que la energía que posee un electrón libre se transfiera a otro estado. En todas las uniones p-n de semiconductor, parte de esta energía se emite como calor y otra parte en forma de fotones. Como en el silicio y el germanio el mayor porcentaje se genera en forma de calor y la luz emitida es insignificante, los diodos LED se fabrican de fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) o fosfuro de galio (GaP), donde el número de fotones de energía de luz emitida es suficiente para crear una fuente de luz visible.

Como se muestra en la Figura 7a (Proceso de electroluminiscencia y símbolo gráfico del LED), la superficie conductora conectada al material tipo p es mucho más pequeña, con el objeto de permitir la emisión de un número máximo de fotones de energía lumínica al exterior.

Figura 7a: Proceso de Electroluminiscencia y Símbolo Gráfico del LED

Observe que la recombinación de los portadores inyectados por la unión polarizada en directa genera luz, que se emite en el lugar en que se da la recombinación. Puede haber, desde luego, alguna absorción de los paquetes de energía (fotones) en la superficie misma, pero un gran porcentaje se encuentra disponible para salir, según se muestra en la Figura 7a.

3.2.1. Aspecto Físico del Diodo LED

El diodo LED es un dispositivo semiconductor de dos terminales, llamados ánodo (A) y cátodo (C), que como ya se indicó, emite una luz visible cuando se polariza en directa, es decir, cuando el ánodo es positivo con respecto al cátodo. La luz emitida por un LED puede ser roja, amarilla, verde o azul, dependiendo de su construcción interna. También se dispone de LEDs que emiten luz infrarroja y láser. La apariencia de un LED de estado sólido se muestra en la Figura 8.

Figura 8: Aspecto Físico de un Diodo LED

Hoy en día, los LEDs se usan también agrupados en displays de visualización disponibles en muchos tamaños y formas diferentes. La región de emisión de luz está disponible en longitudes desde 0.1 a 1 pulgada. Los números pueden crearse por segmentos, como se muestra en el display de siete segmentos de la Figura 9.

Al aplicar una polarización directa al segmento apropiado, se puede desplegar cualquier número del 0 al 9. Existen dos tipos de display:

1. Ánodo Común: El terminal ánodo de todos los diodos es común y se conecta a la fuente de alimentación. Para encender un segmento, se aplica un potencial bajo (0V) a su cátodo, polarizándolo en directa.
2. Cátodo Común: El terminal cátodo de todos los diodos es común y se conecta a tierra. Para encender un segmento, se aplica un potencial alto (Vcc) a su ánodo, polarizándolo en directa.

Figura 9: Display de Siete Segmentos (Ánodo Común y Cátodo Común)

3.3. Otros Tipos de Diodos

Figura 10: Ejemplos de Otros Diodos Semiconductores