¿Qué es un Diodo?

Juan Carlos G 2020-02-06
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¿Qué es un Diodo?

Los diodos

En esta nueva entrega te traigo lo mas importante sobre los diodos, aprenderás ¿Qué son los diodos? y todos los aspectos mas importantes como la curva característica, etc., no olvides en compartir si te ha gustado.

 

 

¿Qué es un Diodo?

El diodo es un componente electrónico que se crea 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. Un diodo es un tipo de interruptor electrónico que permite el paso de la corriente eléctrica en un sentido y la bloque en el otro sentido, como resultado de la polarización que se aplique a sus terminales. Y es uno de los componentes electrónicos mas utilizados en la electrónica tanto como lo son los transistores.

 

El diodo es uno de los semiconductores más usados hoy en día y existen una gran cantidad de tipos de diodos y aplicaciones, que prácticamente todos los aparatos electrónicos que usas todos los días tienen al menos un diodo en su diseño. Ahora ya sabes que es un diodo si continúas leyendo aprenderás la teoría del diodo y cómo funciona en términos físicos y eléctricos.

 

Símbolo del diodo

Símbolo general del diodo

Características del diodo

Antes de pasar al tema de ¿Para qué sirve este componente? es importante que te relaciones con algunos aspectos y términos sobre las características generales del diodo, por ejemplo:

 

Valores de tensión nominal

Abreviatura Descripción
VF Se refiere a la tensión eléctrica presente en las terminales del diodo
VR Tensión inversa, se presenta en las terminales cuando el diodo es polarizado en inversa
VRSM El voltaje VRSM es la tensión inversa de pico repetitiva
VRWM El voltaje VRWM es la tensión de cresta inversa

 

Valores de corriente nominal

Abreviatura Descripción
IF Se refiere al valor de la corriente directa
IR Referente a la corriente en inversa
IFAV Es el valor medio de la forma de onda de la corriente respecto a un periodo completo
IFRMS Es la corriente eficaz en el estado de conducción y se refiere a la máxima corriente eficaz que el componente o el diodo puede soportar
IFSM Corriente directa pico no repetitiva
AV Valor RMS (valor promedio Average) o raíz medía cuadrática

 

Valores de temperatura nominal

Abreviatura Descripción
Tstg Hace referencia al valor máximo y mínimo de la temperatura de almacenamiento
Tj Es el valor máximo de la temperatura que soporta la unión de los semiconductores

 

¿Para qué sirve un diodo?

La principal funcionalidad de un diodo es:

Un diodo actúa como un interruptor electrónico, ya que si lo polarizas en directa el diodo permitirá que la corriente fluya a través de la región de empobrecimiento lo que consideramos como un diodo encendido o interruptor cerrado.

 

Por lo contrario, si se polariza en inversa el diodo aumentara su área de empobrecimiento haciendo que sea más difícil que la corriente fluya a través de el, bajo esta condición consideramos que el diodo está apagado o es un interruptor abierto.

Un diodo también puede actuar como regulador de voltaje siempre y cuando los niveles de dopaje o grados de impureza en los materiales sean los indicados, este se logra polarizando el diodo en inversa y llevándolo a la llamada región Zener donde el diodo mantiene un voltaje constante en sus terminales, inclusive también existen diodos emisores de luz como los LEDs RGB.

Otro uso importante del diodo es como Diodo Rectificador de media onda u onda completa y 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 por 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 termino 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.

 

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 caga cero.

 

Sin polarización

 

 

 

Polarización en inversa

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 en inversa
Polarización en inversa

 

 

Polarización en directa

Cuando se cumplen las condiciones de polarización en directa se dice que el diodo esta 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 esta 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 del diodo

 

Formula Corriente del diodo

Donde

  • IS es la corriente de saturación inversa
  • VD 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.
  • VT voltaje térmico determinado por

 

 

voltaje térmico del diodo

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:

 

Formula Corriente del diodosimplicada 1

 

Si VD 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:

 

Formula Corriente del diodosimplicada 2

 

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

 

Formula Corriente del diodosimplicada 3

 

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.

 

Curva característica del diodo
Curva característica del diodo

 

 

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 VZ.

 

 

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 contario serian 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.

 

Aplicaciones de los diodos y sus tipos

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

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

 

Puedes revisar mi articulo sobre tipos de diodos donde profundizo un poco mas y encontrarás una lista más completa

 

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Juan Carlos G

Electrónica y diseño web


Cree este blog para compartir uno de los temas que más me apasionan que es la electrónica, por lo tanto, además de tutoriales de electrónica, encontrarás en algunas páginas recomendaciones de productos relacionados a los LED principalmente.

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