Diodos

Mientras que los resistores, condensadores e inductores forman parte de los elementos básicos de un circuito, son los dispositivos semiconductores los que realmente contienen la magia. Cada circuito electrónico tiene docenas de dispositivos semiconductores como Diodos, Transistores, Reguladores, Amplificadores Operacionales, Interruptores de potencia, etc. en su interior. Cada uno de ellos tiene sus propias propiedades y aplicaciones. En este artículo vamos a cubrir el dispositivo semiconductor más básico, los diodos.

Tal vez ya haya oído decir que «los diodos son dispositivos semiconductores con dos terminales que conducen sólo en una dirección determinada y permiten el paso de la corriente…», pero ¿por qué? ¿Y qué tiene que ver realmente con nosotros al diseñar un circuito?, ¿Cómo funciona un diodo?, ¿Cuáles son los diferentes tipos de diodos y en qué aplicación debemos utilizarlos? Sujétese bien, porque todas estas preguntas tendrán respuesta a medida que vaya leyendo este artículo.

Historia del Diodo

En el año 1940, en los Laboratorios Bell, Russell Ohl estaba trabajando con un cristal de silicio para descubrir sus propiedades. Un día, accidentalmente, cuando el cristal de silicio, que tenía una grieta, fue expuesto a la luz del sol, descubrió el flujo de corriente a través del cristal, lo que más tarde se llamó diodo, que fue el comienzo de la era de los semiconductores.

¿Qué es un Diodo?

Empecemos por responder a la pregunta más básica. ¿Qué son los diodos?

Un diodo, como he dicho antes, es un componente semiconductor con dos terminales. Hay muchos tipos de diodos, pero el más utilizado es el que se muestra a continuación.

Los dos terminales se denominan Ánodo y Cátodo, más adelante veremos el símbolo y cómo identificar los terminales, pero por ahora recuerda que cualquier diodo sólo tiene dos terminales (al menos la mayoría) y son el ánodo y el cátodo. Otra regla de oro de los diodos es que permiten que la corriente pase a través de ellos en una sola dirección: del ánodo al cátodo. Esta propiedad del diodo es lo que lo hace útil en muchas aplicaciones.

Función del Diodo

La función principal de un diodo es bloquear la corriente en una dirección y permitir que la corriente fluya en la otra dirección, es decir controla la dirección del flujo de corriente. La corriente que fluye a través del diodo, posee polarización directa. La corriente que intenta fluir en dirección contraria, posee polarización inversa.

Construcción de un Diodo

Para saber por qué conducen en una sola dirección tenemos que ver la estructura interna del diodo. Un diodo se construye uniendo dos materiales semiconductores de tipo P y de tipo N igualmente dopados. Cuando estos dos materiales se unen ocurre algo interesante, forman otra pequeña región entre ellos llamada región de agotamiento. Esto se debe a que la región de tipo P tiene un exceso de agujeros y la región de tipo N tiene un exceso de electrones y ambos intentan difundirse entre sí formando un bloqueo de alta resistencia entre ambos materiales como en la imagen que se muestra a continuación. Esta región de bloqueo se denomina región de agotamiento.

Esta zona de agotamiento (bloqueo) tiene que romperse si la corriente tiene que fluir a través de un diodo.

Polarización de un Diodo

Una vez construido el diodo, es necesario aplicarle una tensión para ponerlo a funcionar. A esta acción de alimentar el diodo se le llama polarización.

Polarización Directa de un Diodo Semiconductor

Cuando se aplica una tensión positiva en el ánodo y una tensión negativa en el cátodo, se dice que el diodo está en estado de polarización directa. Durante este estado, el voltaje positivo bombea más agujeros a la región de tipo P y el voltaje negativo bombea más electrones a la región de tipo N, lo que hace que la región de agotamiento se rompa y la corriente fluya del ánodo al cátodo. Esta tensión mínima necesaria para que el diodo conduzca hacia delante se denomina tensión de ruptura directa.

Polarización Inversa de un Diodo Semiconductor

Alternativamente, si se aplica una tensión negativa al ánodo y una tensión positiva al cátodo, se dice que el diodo está en condiciones de polarización inversa. Durante este estado, el voltaje negativo bombeará más electrones hacia el tipo P y el material de tipo N obtendrá más agujeros del voltaje positivo, lo que hace que la región de agotamiento de un diodo sea aún más fuerte y, por lo tanto, no permita que la corriente fluya a través de él. Hay que tener en cuenta que estas características son aplicables sólo a un diodo ideal (teórico), prácticamente habrá un poco de corriente que fluye incluso en el modo de polarización inversa. Lo discutiremos más adelante.

¿Cómo Funciona un Diodo?

Cuando un diodo permite el flujo de corriente, este tiene polarización directa. Cuando un diodo tiene polarización inversa, actúa como un aislante y no permite que la corriente fluya. Esta es una vista simple, pero es cierta para los diodos que funcionan como rectificadores, interruptores y limitadores. El voltaje de polarización directa es de aproximadamente seis décimas de voltio (0.6 V) para dispositivos de silicio, 0.3 V para dispositivos de germanio y 1 V para dispositivos de selenio.

A pesar de la regla general anterior, si el voltaje del cátodo es positivo en relación con el voltaje del ánodo en una cantidad suficientemente grande, el diodo conducirá corriente. El voltaje requerido para producir este fenómeno, conocido como voltaje de avalancha, varía mucho dependiendo de la naturaleza del material semiconductor a partir del cual se fabrica el dispositivo. El voltaje de avalancha puede variar desde unos pocos voltios hasta varios cientos de voltios.

Extraño pero cierto: la flecha del símbolo de diodo apunta contra la dirección del flujo de electrones. Motivo: Los ingenieros concibieron el símbolo, y sus esquemas muestran que la corriente fluye desde el lado positivo (+) de la fuente de voltaje hacia el negativo (-).

La animación anterior ilustra el funcionamiento de un diodo en un circuito, hay dos circuitos en los que estamos tratando de encender un Led con una batería. En un circuito el diodo está polarizado directamente y en el otro el diodo está polarizado inversamente. Cuando la simulación se ejecuta, se puede observar que sólo el diodo con polarización directa permite que la corriente fluya a través de él, por lo que el LED se ilumina, el diodo con polarización inversa no permite que la corriente pase a través de él.

Características de un Diodo

Un diodo es simplemente una unión PN, pero sus aplicaciones son amplias en circuitos electrónicos. Son tres las características de un diodo:

Curva Característica del Diodo

La curva característica de un diodo también se denomina curva I-V. Se trata de un gráfico que muestra el flujo de corriente a diferentes tensiones directas. La corriente suele estar en el eje Y y la tensión en el eje X. Este tipo de gráfico proporciona a los ingenieros un registro visual de las características de funcionamiento del componente. Esta información les permite utilizar el componente de forma más adecuada dentro de un circuito. Hay muchos tipos diferentes de diodos, y todos ellos tienen diferentes curvas características y aplicaciones. Estos son algunos de los diodos con los que se puede encontrar en el futuro: Zener, Germanio, Gunn, Túnel y Schottky. Este artículo analizará un típico diodo de silicio.

La curva característica de un diodo es completamente no lineal. Y se parece a esto:

Dependiendo del voltaje aplicado a través de él, un diodo funcionará en una de estas tres regiones:

1. Polarización directa: cuando el voltaje a través del diodo es positivo, el diodo está «encendido» y la corriente puede pasar. El voltaje debe ser mayor que el voltaje directo (VD) para que la corriente sea significativa.
2. Polarización inversa: este es el modo «apagado» del diodo, donde el voltaje es menor que el VD. En este modo, el flujo de corriente está (en su mayoría) bloqueado y el diodo está apagado. Una cantidad muy pequeña de corriente, llamada corriente de saturación inversa, puede fluir en sentido inverso a través del diodo.
3. Ruptura: cuando el voltaje aplicado a través del diodo es muy grande y negativo, mucha corriente podrá fluir en la dirección inversa, del cátodo al ánodo.

Tensión Directa

Para «encender» y conducir corriente en la dirección de avance, un diodo requiere que se aplique una cierta cantidad de voltaje positivo a través de él. El voltaje típico requerido para encender el diodo se llama voltaje directo (VD). También podría llamarse voltaje de corte o voltaje de encendido.

Como sabemos por la curva i-v, la corriente y el voltaje a través de un diodo son interdependientes. Más corriente significa más voltaje, menos voltaje significa menos corriente. Sin embargo, una vez que el voltaje alcanza aproximadamente la clasificación de voltaje directo, los grandes aumentos de corriente deberían significar solo un aumento muy pequeño de voltaje. Si un diodo es totalmente conductor, generalmente se puede suponer que el voltaje a través de él es la clasificación de voltaje directo.

El VD de un diodo específico depende del material semiconductor del que esté hecho. Normalmente, un diodo de silicio tendrá un VD de alrededor de 0,6-1V. Un diodo basado en germanio podría ser más bajo, alrededor de 0.3V. El tipo de diodo también tiene cierta importancia para definir la caída de tensión directa; Los diodos emisores de luz pueden tener un VD mucho más grande, mientras que los diodos Schottky están diseñados específicamente para tener un voltaje directo mucho más bajo de lo habitual.

Voltaje de Ruptura o Cortocircuito

Si se aplica un voltaje negativo suficientemente grande al diodo, cederá y permitirá que la corriente fluya en la dirección inversa. Este gran voltaje negativo se llama voltaje de ruptura. En realidad, algunos diodos están diseñados para operar en la región de ruptura, pero para la mayoría de los diodos normales no es muy saludable que estén sujetos a grandes voltajes negativos.

Para los diodos normales, esta ruptura de voltaje es de alrededor de -50V a -100V, o incluso más negativo.

¿De que materiales están hechos los diodos?

La mayoría de los diodos están hechos con materiales semiconductores como silicio, germanio o selenio. Algunos diodos están compuestos por electrodos metálicos en una cámara evacuada o llena de un gas puro a baja presión.

Símbolo del Diodo

Cada diodo tiene dos terminales (conexiones en cada extremo del componente) y esos terminales están polarizados, lo que significa que los dos terminales son claramente diferentes. Es importante no mezclar las conexiones de un diodo. El extremo positivo de un diodo se llama ánodo y el extremo negativo se llama cátodo. La corriente puede fluir desde el extremo del ánodo al cátodo, pero no en la otra dirección. Es importante no olvidar en qué dirección fluye la corriente a través del diodo.

El símbolo del diodo en un circuito es un triángulo que choca contra una línea. Como veremos más adelante, hay una variedad de tipos de diodos, pero generalmente su símbolo de circuito se verá así:

¿Para qué sirve un Diodo?

Los diodos son componentes extremadamente útiles y se utilizan ampliamente como rectificadores, limitadores de señal, reguladores de voltaje, interruptores, moduladores de señal, mezcladores de señal, demoduladores de señal y osciladores.

Demodulación de Señales

El uso más común de los diodos es eliminar el componente negativo de una señal de CA. Debido a que la parte negativa de una forma de onda de CA suele ser idéntica a la mitad positiva, se pierde muy poca información en este proceso de eliminación, lo que lleva a un procesamiento de señal más eficiente.

La demodulación de señal se usa comúnmente en radios como parte del sistema de filtrado para ayudar a extraer la señal de radio de la onda portadora.

Protección contra Sobretensiones

Los diodos también funcionan bien como dispositivos de protección para componentes electrónicos sensibles. Cuando se utilizan como dispositivos de protección contra la tensión, los diodos no son conductores en condiciones normales de funcionamiento, pero cortocircuitan inmediatamente cualquier pico de alta tensión a tierra, donde no puede dañar un circuito integrado. Los diodos especializados, llamados supresores de tensión transitoria, están diseñados específicamente para la protección contra sobretensiones y pueden manejar picos de potencia muy grandes durante períodos de tiempo cortos, características típicas de un pico de tensión o una descarga eléctrica, que normalmente dañarían los componentes y acortarían la vida útil de un producto electrónico.

Del mismo modo, un diodo puede regular la tensión sirviendo como clipper o limitador, un propósito especializado que limita el voltaje que puede pasar a través de él en un punto determinado.

Dirección de Corriente

La aplicación básica de los diodos es dirigir la corriente y asegurarse de que solo fluya en la dirección adecuada. Un área en la que la capacidad de dirección de corriente de los diodos se usa con buenos resultados es en el cambio de la energía que proviene de una fuente de alimentación a la energía que funciona con una batería. Cuando un dispositivo está enchufado y cargándose, por ejemplo, un teléfono celular o una fuente de alimentación ininterrumpida, el dispositivo debe obtener energía solo de la fuente de alimentación externa y no de la batería, y mientras el dispositivo está enchufado, la batería debe recibir energía y recargarse. Tan pronto como se retira la fuente de alimentación, la batería debe alimentar el dispositivo para que el usuario no note ninguna interrupción.

Un buen ejemplo de dirección de la corriente es la protección contra la corriente inversa. Piense, por ejemplo, en su coche. Cuando la batería se agota y un simpático transeúnte se ofrece a ayudarle con los cables de arranque, si confunde el orden de los cables rojo y negro no freirá el sistema eléctrico de su coche porque los diodos adyacentes a la batería bloquean la corriente de dirección equivocada.

Compuertas Lógicas

Los ordenadores funcionan en binario: un mar interminable de ceros y unos. Los árboles de decisión binarios de la informática se basan en compuertas lógicas activadas por diodos que controlan si un interruptor está encendido («1») o apagado («0»). Aunque en los procesadores modernos hay cientos de millones de diodos, su funcionamiento es el mismo que el de los diodos que se compran en la tienda de electrónica, pero mucho más pequeños.

Diodos Emisores de Luz (LED)

Quizá la aplicación moderna más conocida de los diodos sea la de los LED. Éstos utilizan un tipo especial de dopaje para que, cuando un electrón atraviesa la unión n-p, se emita un fotón que genere luz. Esto se debe a que los LEDs brillan en presencia de una tensión positiva. El tipo de dopaje puede variar para que se emita cualquier frecuencia (color) de luz, desde el infrarrojo hasta el ultravioleta.