Hola amigo y amiga, inicio con esta nueva categoría de artículos en Todito LED donde aprenderás ¿Qué es el DIODO? Y sus diferentes aplicaciones, aprenderás que este componente es sumamente importante y está presente en una gran cantidad de aparatos electrónicos que utilizamos todos los días.

Por tal razón, comprender sus características es muy importante, así que comenzaré definiendo a este componente y te dejare varios post donde podrás ir profundizando en cada tipo.

• Este tema forma parte de mi curso básico de electrónica que te invito a revisar si estas interesado y te gusta todo esto de la electrónica.

¿Qué es un Diodo?

Para entrar en tema, comenzaremos creando una definición de este componente e iremos avanzando revisando cada característica importante.

El diodo es un componente electrónico semiconductor que se fabrica a partir de la unión de dos materiales tipo n y tipo p.

En otras palabras, este dispositivo electrónico está conformado por

• La unión de un material con portadores mayoritario de electrones.
• Y un material de portadores mayoritario de huecos.

Este componente es un tipo de interruptor electrónico que permite el paso de la corriente eléctrica en un sentido y la bloque en el otro sentido, esto como resultado de la polarización que se aplique a sus terminales, tal y como veremos un poco más adelante.

Símbolo del diodo

Características generales del diodo

Es importante que sepas que en la práctica, debes contar con la hoja de datos del componente en particular que estés utilizando, aquí solo te dejo conceptos generales para que te des una día de sus parámetros y te sea más fácil entender dicha hoja de datos.

Valores de tensión nominal

Valores de corriente nominal

Valores de temperatura nominal

¿Para qué sirve un diodo?

Principalmente es utilizado como un interruptor electrónico, donde bloqueamos o dejamos pasar corriente, según los siguientes casos:

• Un diodo actúa como un interruptor electrónico, ya que al ser polarizado en directa, permite que la corriente fluya a través de la región de empobrecimiento considerándolo en estado de encendido o interruptor cerrado.
• Por lo contrario, si se polariza en inversa, aumenta su área de empobrecimiento, haciendo que sea más difícil que la corriente fluya a través de el, bajo esta condición se considera en estado apagado o un interruptor abierto.
• Algunos tipos de diodos, incluso pueden actuar como reguladores de voltaje, siempre y cuando, los niveles de dopaje o grados de impureza sean los indicados, este se logra al polarizar en inversa al diodo y llevándolo a la región Zener.
• Podemos encontrar mas usos como aquellos tipos que emiten luz dentro de los cuales están los LED y LED RGB.
• Otro uso importante está en la rectificación, la cual, está presente en todas las fuentes de voltaje reguladas, ya que separa los ciclos positivos y negativos de las ondas sinusoidales o corriente alterna y mediante un proceso de filtrado (comúnmente mediante capacitores) se tiene voltaje directo.

¿Cómo funciona un diodo?

Los semiconductores de estructura compuesta son aquellos que se componen de dos o más materiales semiconductores de diferentes estructuras atómicas, por ejemplo:

• Sin polarización
• Polarización en directa
• Polarización en inversa

¿Qué es polarización?

De una manera simple el término polarización es aplicar una diferencia de potencial o voltaje a las terminales del componente para obtener una respuesta, en este caso, a las terminales conectadas al material tipo p y n.

Tipos de polarización del diodo

➤ Sin polarización

En el momento que los materiales p y n se unen crean una región de agotamiento o región de empobrecimiento en donde los electrones y huecos se combinan y provocan una carencia de portadores libres en la región próxima a la unión, y ya que, no se aplica ningún voltaje en sus terminales se entiende que es un estado sin polarización.

En condiciones de polarización, los portadores minoritarios o huecos de material n localizados en la región de empobrecimiento serán atraídos de forma casi instantánea al material tipo p y cuanto más cerca está el portador minoritario de la unión la atracción de la capa de iones negativos será mayor y la oposición de los iones positivos en la región de agotamiento del material tipo n será menor.

Por lo tanto, los portadores minoritarios del material tipo n localizados en la región de empobrecimiento pasan al material tipo p, lo que en resumen provoca un flujo neto de carga cero.

➤ Polarización inversa del diodo

Si aplicamos una diferencia de potencial en las terminales del diodo con la terminal positiva conectada al material tipo n y la terminal negativa al material tipo p, los iones positivos en la región de empobrecimiento del material tipo n se incrementarán por los electrones libres atraídos por el voltaje aplicado en las terminales, por otro lado, los iones negativos se incrementarán en el material tipo p por las mismas razones.

Esta diferencia de potencial crea que la zona de empobrecimiento sea mayor causando que la barrera a vencer por los portadores libres sea mayor reduciendo el flujo de portadores mayoritarios a cero. Sin embargo, el número de portadores minoritarios que entran a la región de empobrecimiento no se ve afectada produciendo vectores de fijo de portadores minoritarios de la misma magnitud.

En esta condición de polarización en inversa se crea una corriente de saturación en inversa que regularmente no supera los microamperes o nanoamperes en dispositivos de "Si", excepto en diodos de alta potencia.

Corriente de saturación inversa

La corriente de saturación inversa se refiere al hecho de que alcanza su máximo nivel con rapidez y no sufre cambios significativos a los cambios de potencial en las terminales.

➤ Polarización directa del diodo

Cuando se cumplen las condiciones de polarización en directa se dice que el diodo está encendido y esto se logra aplicando un voltaje en las terminales del diodo de la siguiente manera, el potencial positivo se aplica al material tipo p y el negativo al n, cuando un diodo está polarizado en directa el potencial obliga a los electrones en material tipo n y a los huecos en el material tipo p a recombinarse con los iones próximos reduciendo el ancho de la región de empobrecimiento.

En estas condiciones el flujo de portadores minoritarios del material tipo p al n y el flujo de huecos del material tipo n al p no cambia en magnitud ya que el nivel de conducción es establecido por el limitado número de impurezas en el material, a pesar de que existe un intenso flujo de portadores mayoritarios a través de la unión debido a la reducción de la región de empobrecimiento, un electrón en el material tipo p ve una barrera reducida en la unión debido a la fuerte atracción que ejerce el potencial positivo aplicado al material tipo p.

Entre mayor sea el potencial aplicado se reducirá el área de empobrecimiento hasta el punto en que los electrones pueden atravesar la unión produciendo un incremento exponencial de la corriente, como muestra la siguiente ecuación:

Ecuación y modelo matemático del diodo

Donde

• I_S es la corriente de saturación inversa
• V_D es el voltaje de polarización en directa
• n es un factor de idealización, y se refiere a una función de condiciones de operación y construcción física, este valor varía entre 1 y 2 con base en una gran diversidad de factores.
• V_T voltaje térmico determinado por

Donde

• k es la constante de Boltzmann = 1.38 x 10 ^-23  [J/K]
• T es la temperatura absoluta en Kelvin = 273 + la temperatura en ℃
• q es la magnitud de la carga del electrón = 1.6 x 10 ^-19 [C]

Si analizamos y desarrollamos la ecuación ID podemos reducirla a lo siguiente:

Si V_D es positivo el primer término crecerá rápidamente en comparación al segundo por lo que el efecto del segundo término es despreciable, por lo que podemos redefinir la ecuación por lo siguiente:

Si V_D es negativo la parte exponencial se reduce rápidamente en comparación con el segundo término reduciendo el valor de I_D a los siguiente:

Como podemos ver en condiciones inversas el valor de la corriente del diodo termina siendo el valor de la corriente de saturación del diodo.

¿Qué es la curva característica del diodo?

La curva característica del diodo es la relación del cambio de la corriente según los valores de potencial eléctrico aplicado en las terminales del diodo.

Ahora, lo anterior en términos ideales lo podemos resumir de la siguiente manera:

• Si voltaje de polarización es negativo o inversa, la corriente del diodo alcanzará el valor de saturación y se mantendrá aun cuando la magnitud del voltaje de polarización aumente, regularmente el valor de saturación ronda los picoamperes.
• El voltaje de polarización es positivo y menor a la unidad, matemáticamente la función exponencial crecerá lenta ya que un exponente fraccionario mantiene un estado cuasi estable, haciendo que la corriente del diodo se mantenga cerca del miliampere.
• Cuando el voltaje de polarización es positivo y supera la unidad, la parte exponencial crece rápidamente haciendo que la corriente en el diodo aumente y llegue a varios miliampere.

La barrera de potencial requerido para llegar al estado de conducción en un diodo es idealmente 0.7 volts, con lo cual el diodo se considera polarizado en directa y se comporta como un interruptor cerrado permitiendo que la corriente fluya a través de la unión de los materiales p y n.

Región Zener del diodo

Como vimos en la curva característica del diodo si el voltaje de polarización es negativo la corriente del diodo alcanza o es casi igual a la corriente de saturación, sin embargo, existe un valor o nivel de potencial donde la corriente sufre un cambio desmesurado y abrupto. El voltaje negativo que causa este cambio abrupto en la corriente del diodo se le conoce como voltaje o potencial Zener y se representa por V_Z.

Corriente de avalancha y región de ruptura

A medida que el voltaje Zener aumenta en magnitud se incremente la velocidad de portadores minoritarios responsables de la corriente de saturación en inversa, conforme avanza el tiempo su energía cinética es tan alta que provoca liberación de más portadores libre mediante la colisión con otras estructuras atómicas, que de lo contrario serían estables.

Este proceso causa un proceso de ionización donde los electrones de valencia absorben tanta energía que se liberan de sus átomos padres aumentando el proceso de ionización y llegando finalmente a la corriente de avalancha y región de ruptura del diodo liberando calor incluso podría resultar en la destrucción del diodo.

Efectos de la temperatura en el diodo

Los efectos de temperatura en un diodo radican en que si la temperatura aumenta el potencial requerido para lograr la conducción disminuye y en caso contrario aumenta, por ejemplo:

• Si la temperatura aumenta el voltaje requerido disminuye en 2.4 mV por cada grado centígrado de incremento.
• En la región de polarización en inversa la corriente de saturación de un diodo de Si duplica su valor por cada diez grados centígrados de incremento.
• El voltaje de saturación en inversa de un diodo semiconductor se incrementará o reducirá con la temperatura según el potencial Zener.

Tipos de diodos

Como te mencione anteriormente este componente es uno de los dispositivos electrónicos con una amplia gama de aplicaciones, dado los tipos que existen, tengo un post dedicado únicamente a este tema, te lo dejo para que puedas revisarlo:

• Diodo LED
• Diodo Zener
• Semiconductores
• Diodo rectificador
• Diodo Schottky

Aplicaciones de los diodos

Hay una tremenda variedad de diodos y cada uno cumple una función específica, por ejemplo, si revisas los siguientes Post podrás aprender más sobre:

• Diodos rectificadores, principalmente los usamos en fuentes o recortadores de señales.
• Diodos Zener, son usados como reguladores de tensión para proteger ciertas secciones en nuestro circuitos.
• Diodos LED, creo que es el más conocido ya que lo podemos encontrar en lámparas de led y tiras de led.

Vídeos sobre el uso y características del diodo

Historia y orígenes del diodo

• Aunque los diodos semiconductores de estado sólido eran populares antes que los diodos termoiónicos, ambos se desarrollaron al mismo tiempo.
• En 1873, Frederick Guthrie descubre cómo funcionan los diodos termodiodos.
  • Guthrie descubrió que un electroscopio cargado positivamente puede descargarse al acercarse a una pieza de metal caliente sin tocarla.
  • No ocurre lo mismo con el electroscopio cargado negativamente, lo que refleja que la corriente solo puede fluir en una dirección.
• Thomas Edison redescubrió este principio el 13 de febrero de 1880.
  • Edison, a su vez, investigó por qué el filamento de carbono de la bombilla se quemó al final del electrodo positivo.
  • Hizo una bombilla con un filamento adicional y una bombilla con una lámina de metal dentro de la lámpara que estaba aislada eléctricamente del filamento.
  • Al usar este dispositivo, confirmó que la corriente fluye desde el filamento a través del vacío hasta la lámina metálica, pero esto solo sucede cuando la lámina metálica está conectada activamente.
  • Edison diseñó un circuito que usaba una resistencia y un voltímetro de corriente directa (DC) para reemplazar una bombilla, otorgándole una patente en 1884 para esta invención.
  • Por tanto, la patente puede ser una medida preventiva en caso de que alguien descubra el uso del llamado Efecto Edison.
• 20 años después, John Ambrose Fleming descubre que el efecto Edison podía usarse como un radio detector de precisión.
  • El 16 de noviembre de 1904, Fleming recibió la primera patente de diodos termoiónicos en Gran Bretaña.
• En 1874, el científico alemán Karl Ferdinand Braun descubrió las propiedades de conductividad unidireccional de los cristales semiconductores.
  • Braun solicitó una patente para el rectificador de cristal en 1899.
  • Los rectificadores de óxido de cobre y selenio se desarrollaron para aplicaciones de alta potencia en la década de 1930.
• El científico indio Jagdish Chandra Bose fue el primero en utilizar cristales semiconductores para detectar ondas de radio en 1894.
• El detector de cristal semiconductor fue desarrollado por Greenleaf Whittier Picard como un dispositivo práctico para recibir señales de radio, inventó el detector de cristal de silicio en 1903 y recibió una patente el 20 de noviembre de 1906.
• Experimentos posteriores probaron una gran variedad de elementos y sustancias, entre las cuales se utilizó ampliamente un material de nombre galena, ya que era barato y fácil de obtener.
• Al comienzo de la era de la radio, los detectores de cristal semiconductor consistían en un cable ajustable (llamado bigote de gato) que se podía mover manualmente a través del cristal para obtener la mejor señal.
  • Este molesto, quien era muy problemático por cierto, fue reemplazado rápidamente por diodos termoiónicos, aunque los detectores de semiconductores cristalinos se volvieron a utilizar ampliamente con la llegada de los diodos de germanio baratos en la década de 1950.
• En 1919 William Henry Eccles acuñó la palabra "diodo" de la palabra griega dia, que significa separación, y oda (de ὅδος) significa camino.

Excelente, felicidades por llegar a este punto, ahora ya comprendes los aspectos fundamentales y más importantes del diodo, te invito a revisar los demás temas que estoy seguro te van a ser de gran utilidad, nos vemos en la próxima.