Cómo Funciona - El Diodo Semiconductor (ART1018S)

Este artículo es una adaptación de dos capítulos que salieron en nuestro libro Curso de Electrónica - Electrónica Básica y Curso de Electrónica - Electrónica de Potencia, dando una visión general del funcionamiento de los diodos semiconductores, con énfasis en los diodos de potencia. En otros artículos del sitio, el lector puede encontrar otros enfoques para el tema.

Estudiamos en las lecciones del Curso Básico (volumen de la misma serie) que hay dos tipos de comportamientos materiales en relación con la capacidad de Conduzca la corriente eléctrica. Hay materiales a través de los cuales la corriente puede fluir fácilmente, siendo llamado los conductores, y los materiales en los cuales la corriente no puede pasar, llamado los aislantes.

Entre los pilotos destacan los metales, los gases ionizados, las soluciones iónicas, etc. Entre los aisladores destacamos el vidrio, caucho, mica, plásticos, etc.

Hay, sin embargo, una tercera categoría de materiales, un grupo intermedio de materiales que no son buenos conductores, porque la corriente tiene dificultad para pasar a través de ellos, pero no son totalmente aislantes. En estos materiales, los transportistas de carga pueden moverse, pero con cierta dificultad. Estos materiales se denominan "semiconductores".

Entre los materiales semiconductores más importantes, que presentan estas propiedades, destacamos los elementos químicos silicio (Si), germanio (Ge) y Selenio (Se). En un rango de capacidades para impulsar la corriente, estarían en posiciones intermedias, como se muestra en la figura 1.

 

Figura 1 – La escala de conductividad de los materiales
Figura 1 – La escala de conductividad de los materiales

 

 

Cuando ponemos juntos dos materiales del semiconductor de diversos tipos, formando P y N se forman entre ellos una juntura que tiene importantes propiedades eléctricas.

De hecho, son las propiedades de las articulaciones semiconductoras posibilitando la fabricación de todos los modernos dispositivos semiconductores, de diodo, pasando por el transistor al circuito integrado.

Para entender cómo funciona el Juntura, empecemos por dos piezas de materiales semiconductores, una P y otra N, que se unen, para formar una Unión, como se muestra en la figura 2.

 

Figura 2 – Obteniendo una juntura PN
Figura 2 – Obteniendo una juntura PN

 

 

En el sitio de la juntura, los electrones que están en exceso del material de N se mueven hasta el material de P, entonces buscando huecos, donde fijan.

El resultado es que tenemos electrones neutralizando huecos, esto es, en esta región no tenemos más material ni N ni P, sino material neutro. Sin embargo, al mismo tiempo que ocurre la neutralización, aparece una pequeña tensión eléctrica entre las dos regiones de material semiconductor.

Esta tensión, que aparece en el juntura, consiste en una barrera real que necesita ser superada para que podamos hacer circular cualquier corriente entre los dos materiales. Como sugiere el fenómeno, el nombre dado es "barrera potencial", como se muestra en la figura 3.

 

Figura 3 – La barrera potencial
Figura 3 – La barrera potencial

 

 

Esta barrera tiene un valor que depende de la naturaleza del material semiconductor utilizado, siendo del orden de 0.2 V para germanio y 0.6 V para silicio.

 

La estructura indicada, con dos materiales semiconductores, P y N, forma un componente que presenta importantes propiedades eléctricas y que llamamos "diodo semiconductor", o simplemente "diodo". Es con el que estamos lidiando con el próximo artículo.

 

Diodo semiconductor

Para hacer circular una corriente eléctrica a través de una estructura, como la que se estudió en el elemento anterior, con dos materiales P y N formando una unión, hay dos posibilidades, o dos posibles direcciones: la corriente puede fluir del material P a la N, o viceversa.

En la práctica, veremos que a diferencia de los cuerpos comunes que conducen la electricidad, la corriente no se comporta de la misma manera en ambas direcciones.

La presencia de la juntura causa un comportamiento totalmente diverso para manifestarse en cada caso.

Así que asumamos inicialmente que una batería está conectada a la estructura formada por los dos pedazos de material del semiconductor que forman la juntura, es decir la estructura del PN.

El material P está conectado al Polo Positivo de la batería, mientras que el material N está conectado al Polo Negativo.

Hay entonces una repulsión entre las cargas que causan los portadores de la carga del material de P, esto es, los boquetes se mueven hacia la juntura, mientras que los portadores de la carga del material N, que son los electrones libres, se alejan del Polo de la batería que se empuja hacia la juntura.

Los portadores de carga positivos (huecos) y los negativos (electrones) se encuentran en la región de la juntura donde, debido a que tienen diferentes polaridades se recombinan y se neutralizan.

La recombinación de estas cargas, "empujadas" por la batería, abre el camino para que nuevas cargas sean empujadas a esta región, formando así un flujo constante.

Este flujo no es más que una corriente eléctrica que puede fluir libremente a través del componente sin encontrar mucha resistencia u oposición. Decimos, en estas condiciones, que el componente, esta polarizado en la dirección directa, como se muestra en la figura 4.

 

Figura 4 – Juntura o junción polarizada en dirección directa
Figura 4 – Juntura o junción polarizada en dirección directa

 

 

Este componente, llamado "diodo”, Como ya hemos visto, deja el paso de la corriente sin oposición cuando se polariza en la dirección directa.

Por otro lado, si invertimos la polaridad de la batería en relación con las piezas de material semiconductor de esta estructura, el fenómeno que se manifiesta es diferente.

Los portadores del material de N se atraen al polo positivo del generador que se aleja de la región de la juntura. La polarización inversa se puede ver en la figura 5.

 

   Figura 5 – Juntura polarizada en revés
Figura 5 – Juntura polarizada en revés

 

 

Del mismo modo, los portadores del material P también se alejan de la juntura, lo que significa que tenemos una "ampliación de la juntura", con un aumento de la barrera potencial que impide la circulación de cualquier corriente eléctrica.

La estructura polarizada de esta manera, que es, polarizada en revés, no deja el paso de la corriente a través.

En la práctica, una pequeña corriente del orden de millonésimas de ampère puede circular incluso cuando el diodo se polariza en revés.

Esta corriente de la salida es debido al hecho de que el calor ambiente agita los átomos del material de una manera tal que uno u otro portador de carga pueda ser lanzado, llevando la corriente de esta manera.

Como la intensidad de esta corriente varía con la temperatura, una estructura de este tipo, es decir, un diodo, también se puede utilizar como un excelente sensor de temperatura.

Vea entonces que una simple estructura PN de silicio o germanio ya da como resultado un importante componente electrónico que es el diodo. En la figura 6 mostramos La estructura y el símbolo utilizados para representar el componente que se asemeja a una "flecha", indicando la dirección de la corriente.

 

Figura 6 – Símbolo, estructura y aspectos de los principales tipos de diodos
Figura 6 – Símbolo, estructura y aspectos de los principales tipos de diodos

 

 

En la misma figura tenemos los aspectos de estos componentes, cuyo tamaño depende de la intensidad de la corriente que puede controlar o conducir y también De la tensión máxima que puede manifestarse entre sus terminales.

Vea que hay una banda o anillo en algunos tipos de diodos, indicando el lado del cátodo, es decir, el lado del material N.

El símbolo propio del componente se puede escribir en la posición en la que se exhiben el ánodo y el cátodo.

El diodo semiconductor puede entonces ser polarizado de dos maneras, como muestra la figura 7.

 

Figura 7 – Polarización directa y polarización inversa de un diodo.
Figura 7 – Polarización directa y polarización inversa de un diodo.

 

 

Si el diodo está polarizado como se muestra en (a), con el polo positivo de la batería u otra fuente de energía eléctrica en su ánodo, la corriente puede fluir fácilmente, ya que el diodo presenta una resistencia muy baja. Decimos que el diodo está polarizado en la dirección directa.

Si la polarización se hace como se muestra en la misma figura en (b), entonces ninguna corriente puede circular. Decimos que el diodo está polarizado en reversa.

Tenga en cuenta que debido al hecho de que tenemos que vencer a la barrera de 0.2 V potencial para diodos de germanio, y 0.6 V para los diodos de silicio, cuando se produce la conducción, aparece en el componente siempre esta tensión, independientemente de la intensidad de la Corriente que está circulando a través de él, como se puede ver en la figura 8.

 

  Figura 8 – Caída de tensión en un diodo
Figura 8 – Caída de tensión en un diodo

 

 

De hecho, como la resistencia del diodo es muy baja, en su condición de conducción de corriente completa, si no hay un componente que limita esta corriente en el circuito, el diodo corre el riesgo de "quemarse", porque hay un valor máximo para la intensidad de la corriente que puede conducir.

Del mismo modo, también hay un límite a la tensión máxima que podemos aplicar en un diodo cuando para polarizarlo en la dirección inversa.

Llega un punto en el que, incluso polarizado a la inversa, la barrera de potencial ya no puede contener el flujo de cargas y "ruptura" ocurre con el disparo del componente.

Los diodos comunes entonces se especifican según la corriente máxima que puede conducir en la dirección directa, abreviada por If (El F viene de forward que en inglés significa directo), y por la tensión máxima que pueden soportar en reversa, abreviado por Vr (El r viene de reverse que, en inglés, significa inverso o reverso).

Analizamos esto cuando estudiamos las especificaciones de los diodos, que en el caso de los diodos de potencia requieren un cuidado especial

También veremos que hay algunos tipos de diodos especiales que pueden funcionar polarizados en revés y que cuentan con características muy interesantes para la electrónica.

 

Tipos de diodos

Mientras que estudiamos, el material del semiconductor usado en la formación de empalmes puede ser germanio y silicio. Así que tenemos tanto germanio y diodos de silicio. Y, en estos grupos, los tipos todavía pueden tener diferentes propósitos, por lo que se construyen de una manera diferente.

En nuestro Curso de Electrónica – Electrónica Analógica – Vol. 2, estudiamos varios tipos de diodos que se encuentran en equipo electrónico.

En este volumen, en particular profundizaremos en el estudio de los diodos de potencia, que son los diodos que están destinados a funcionar con altas corrientes y altas tensiones.

Así, en un primer paso estudiaremos los diodos de rectificador para pasar a otros tipos como diodos Zener, diodos Schottky, diodos de cuatro capas y otros.

 

Diodos rectificadores del Silicio

Los diodos más comunes en aplicaciones de potencia media y alta son rectificadores que, a medida que estudiamos en el curso de la electrónica analógica, se utilizan en fuentes de alimentación tales como rectificadores.

Los diodos de la serie de 1N4000 y de 1N5000 son absolutamente comunes, así como la serie de SK.

Estos diodos se encuentran en fuentes con corrientes de hasta 1 A o 5 A en el segundo caso.

Sin embargo, en aplicaciones industriales, en vehículos eléctricos en automatización de alta potencia se utilizan diodos rectificadores con cadenas mucho más grandes.

Estos Diodos son destinados a la realización de corrientes intensas, soportando también altas tensiones que pueden exceder los 1 000 V.

En la figura 9 tenemos los aspectos comunes de estos diodos que tienen características para el montaje en disipadores térmicos.

 

   Figura 9 – Diodos de alta corriente
Figura 9 – Diodos de alta corriente

 

 

En la construcción de estos diodos se utilizan técnicas especiales que apuntan a una geometría en la que la corriente se distribuye uniformemente por la pastilla de silicio.

Lo que pasa es que cuando se empieza a conducir un diodo de este tipo, la corriente se concentra en un área pequeña, generando así un pico de calor en esta ubicación.

A medida que la corriente aumenta y distribuye, la generación de calor también es distribuida de una manera más uniforme.

Estos diodos se pueden encontrar en fuentes de alimentación, reguladores de voltaje del alternador, inversores de energía, controles, etc.

Así como los diodos usados en otros usos, tales como muestras, corriente baja, detección, los diodos de alta intensidad tienen especificaciones.

En el siguiente punto analizaremos las especificaciones de los diodos.

 

Especificaciones de los diodos de silicio

Para las especificaciones de los diodos se utilizan normalmente los símbolos, que los usuarios de los diodos necesitan saber.

El conocimiento de esta simbología es especialmente importante cuando necesitamos interpretar las fichas de datos (datasheets) de un componente en particular.

Recordamos que todos los componentes tienen límites para su uso y estas especificaciones definen con precisión estos límites. Si se exceden, el componente puede ser dañado o todavía inutilizable.

En los símbolos normalmente una mayúscula corresponde a la unidad usada, por ejemplo, I para la corriente, V para la tensión, P para potencia, etc.

 

Especificaciones de tensión y corriente

Para los diodos comunes normalmente dos especificaciones de tensión son suficientes para permitirnos evaluar su funcionamiento en un circuito. Son:

Vf = caída de tensión en el sentido directo - es la caída de tensión que ocurre en un diodo cuando conduce la corriente. Normalmente de 0,6 a 0,7 V en los diodos de silicio

 

PIV = tensión inversa de pico (Peak Inverse Voltage), que es la máxima tensión que se puede aplicar al diodo cuando polarizado en sentido inverso.

   Para la corriente, basta saber el valor de una de ellas:

  IF (AV) = corriente media en el sentido directo y con ello sabemos cómo usar el diodo.

 

   Sin embargo, consultando datasheets encontramos otras especificaciones de tensión que son igualmente importantes cuando pretendemos trabajar con estos componentes. Las principales son:

   VRRM = Tensión inversa máxima repetitiva (Maximum Repetitive Reverse Voltage) - es la tensión máxima que el diodo puede soportar en sentido inverso en forma de pulsos repetidos.

   VR o VDC = Tensión máxima continua en sentido inverso (Maximum DC Reverse Voltage) que el diodo puede soportar cuando se polariza en sentido inverso

   VF = Tensión Máxima en el sentido Directo (Maximum Forward Voltage) - es la tensión que aparece en un diodo cuando conduce una determinada corriente, especificada en el datasheet. En un diodo ideal, esta tensión es nula, pero según estudiamos en los diodos comunes, ocurre siempre una caída de tensión en la conducción que se suele adoptar como valor típico en los diodos de silicio de 0,7 V. En un cálculo más exacto, de la corriente.

   IF (AV) = Corriente máxima (media) directa - Maximum (promedio) forward current - es el máximo valor que la corriente media en el sentido directo puede conducir cuando se polariza en el sentido directo. Esta corriente es determinada básicamente por la capacidad de disipación del diodo, pues el calor generado en estas condiciones depende de la caída de tensión que ocurre en la unión, multiplicada por la intensidad de la corriente.

   IFSM o If (sur) = Corriente máxima de pico o surto en el sentido directo - (Maximum o máximo) forward current - es el pico máximo de corriente que el diodo es capaz de conducir cuando se polariza en el sentido directo. Este parámetro es limitado por la capacidad de disipación de la unión, siendo normalmente muy alto debido a la inercia térmica. Se tarda un cierto tiempo para que el calor generado se propague.

   PD = Disipación máxima de potencia (Maximum Total Dissipation) - es la capacidad de disipación de potencia del diodo en watts (W). Como esta magnitud es dada por P = V x I, puede ser calculada por la corriente conducida multiplicada por la tensión directa.

   TSTG = Rango de temperatura de almacenamiento - Rango de temperaturas en que el diodo se puede guardar (sin estar en funcionamiento).

   Tj = Temperatura máxima de la unión (Maximum Operating Temperature) o máxima temperatura de funcionamiento. En la mayoría de los casos es el mismo valor de la temperatura de almacenamiento.

   R (θ) = Resistencia Térmica (Thermal Resistance) es la diferencia de temperatura que ocurre entre la unión y el medio exterior (aire) o entre la unión y las terminales (JA o JL) para una determinada disipación. Esta especificación se da en grados Celsius por Watt (oC / W). Su valor sería cero si la envoltura del diodo era un conductor perfecto, pero en la práctica no lo es. Esta especificación es importante en el dimensionamiento de los disipadores de calor.

   IR = Corriente inversa (o reversa) máxima (Maximum Reverse Current) - es la corriente que circula por el diodo cuando se polariza con la tensión inversa máxima (DC), También encontramos esta corriente indicada como "corriente de fuga" (leakage current) . En un diodo ideal ella debe ser nula, pero en la práctica depende de diversos factores, siendo el principal, la temperatura.

   CJ = Capacitancia típica de la unión (Junction capacitance) es la capacitancia intrínseca que aparece entre las junturas debido a la región de depleción que actúa como un dieléctrico. Se trata de una capacitancia muy baja, de la orden de picofarads.

   trr = Tiempo de recuperación inversa - se trata del intervalo de tiempo que ocurre entre el instante en que la tensión en un diodo en conducción es invertida y realmente deja de conducir. Vea más adelante en esta lección, más detalles sobre este fenómeno en "diodos de recuperación rápida".

Es importante notar que los parámetros indicados varían dependiendo de varios factores, siendo el principal la temperatura. Así que los fabricantes, en la mayoría de los casos, no dan estas especificaciones a través de un valor fijo, sino más bien a través de gráficos.

En estos gráficos, la especificación se traza de acuerdo con las diferentes condiciones, que pueden ser muy importantes en los proyectos más críticos.

En la figura 10 tenemos un ejemplo que muestra cómo se componen las corrientes máximas de un diodo 1N5404 de acuerdo con la temperatura.

 

     Figura 10 – Después de los 100 º C la capacidad de conducción del diodo en la dirección directa que es 2 A - disminuye rápidamente
Figura 10 – Después de los 100 ºC la capacidad de conducción del diodo en la dirección directa que es 2 A - disminuye rápidamente

 

 

El gráfico de la figura 11 muestra cómo el diodo 1N5404 responde a los surtos de corriente en la dirección directa cuando aumenta el ritmo de pulso de repetición.

 

    Figura 11 -  Comportamiento del diodo con mayor frecuencia de oleadas.
Figura 11 - Comportamiento del diodo con mayor frecuencia de oleadas.

 

 

Otras especificaciones: dependiendo del fabricante, también puede utilizar otras formas de especificar las características de un diodo. El lector debe estar preparado para interpretar correctamente estas especificaciones.

 

En la figura 12 mostramos un detalle de un datasheet de una serie de diodos comunes utilizados en la rectificación, esta serie va de 1N5400 a 1N5408.

La corriente de estos diodos es la misma 3 A (media rectificada), pero las tensiones cambian. A continuación tenemos las "máximas absolutas" que son los valores que no deben excederse, bajo pena del componente sufren daños irreversibles.

 

Figura 12 – Máximos absolutos
Figura 12 – Máximos absolutos

 

 

Vea que estos máximos se especifican bajo ciertas condiciones, usualmente dada la temperatura ambiente de 25 ºC. Vea que para la mayoría de los componentes estas características se deterioran rápidamente cuando se excede la temperatura indicada.