DIODOS

LOS DIODOS

 

Antes de empezar veamos esta definición:

 

El término conductor se aplica a cualquier material que permite un flujo generoso de carga cuando una fuente de voltaje de magnitud limitada se aplica a través de sus terminales

Un aislante o dieléctrico es un material que presenta un nivel muy inferior de conductividad cuando se encuentra bajo la presión de una fuente de voltaje aplicada

Un semiconductor por lo tanto, es un material que posee un nivel de conductividad que se localiza entre los extremos de un dieléctrico y un conductor.

Vimos resumidamente como se produce la electricidad y que los mejores conductores son los metales, y de este grupo lo que tienen ciertas características son lo que realmente se usan.

Ahora bien, la electrónica nació de la búsqueda de hacer que un conductor condujese la electricidad en ciertos momentos, pero resulta que el cobre y otros metales siempre conducen, independiente de la polaridad que se aplica a los extremos del conductor, y los aislantes simplemente no conducen. El problema se resolvió cuando científicos vieron que en la naturaleza existían materiales muy abundantes como son el Germanio, el Silicio y el selenio que podían funcionar como aislantes o conductores mediante técnicas artificiales. El silicio se extrae de la Arena mediante unos procesos especiales. Ahora bien, el Silicio es el que más atención ha ocupado y con el cual se fabrican la mayoría de semiconductores. (Si les suena SILICOM VALLEY ya saben porque es)

 Pero primero lo primero. El silicio, por ejemplo, tiene en su capa de valencia solo 4 electrones, pero por si solo no conduce electricidad pues al fin y al cabo, no tiene “electrones libres”, pues si analizamos su estructura atómica esta completo. Ahora bien ¿Cómo hacer para que quede con carga positiva (menos electrones) o carga negativa (mas electrones)?. La respuesta  es: AÑADIENDO electrones o “DOPANDOLOS” como se conoce en la industria, es decir al Silicio se le añaden algunas impurezas. Es importante saber lo siguiente:

 -Sus átomos tienen un patrón periódico y que se repite continuamente

-Este patrón se denomina CRISTAL y a su arreglo periódico se denomina RED

-por su periodicidad del mismo material se denomina MONOCRISTAL.

-La estructura monocristal tiene forma de Diamante.

-Los cuatro electrones de valencia se encuentran enlazados con otros cuatro electrones de valencia de los átomos adyacentes, formado lo que se llama ENLACE COVALENTE

-El material semiconductor es llamado INTRINSECO cuando esta refinado a tal punto que sus impurezas se han eliminado y este queda con cierta cantidad de portadores libres  “naturales”.

-Un material semiconductor puede conducir mejor cuando aumenta la temperatura, pues aumenta el número de electrones libres.

 Teniendo estos conceptos básicos, ahora si podemos ver de dónde nació algo maravilloso llamado DIODO.

Un material semiconductor EXTRINSECO es aquel que fue dopado con impurezas, es decir se “mezclo” con otros materiales como el antimonio, el arsénico y el fosforo, los cuales son átomos pentavalentes, es decir tienen cinco electrones de valencia. El efecto de esta impureza, es que “ese electrón sobrante” es el que puede escapar del material. En este tipo de dopaje el material recibe el nombre de TIPO N (aunque para que no se les olvide asocien la N con negativo, es decir que los portadores mayoritarios son de carga negativa)

 Ahora cuando el dopaje se lleva a cabo usando átomos con tres electrones libres o trivalentes, como el boro, el galio y el indio, al silicio le “quedan haciendo falta electrones libres”, quedando con carga positiva. A este material semiconductor se le llama TIPO P (aunque para que no se les olvide asocien la P con positivo, es decir que los portadores mayoritarios son de carga positiva)

El material TIPO N cuenta con átomos “donores” y el TIPO P con átomos “aceptores”. Es importante aclarar que ambos materiales aunque en apariencia quedan cargados positiva o negativamente, siguen siendo NEUTRALES, debido a que el número de protones en el núcleo del átomo sigue siendo igual al número de electrones libres con carga negativa en la estructura.

Para efectos prácticos el material tipo N tiene PORTADORES y el tipo P tiene HUECOS. Los portadores tienden a ocupar los HUECOS ante la presencia de una diferencia de potencial

Para formar UN DIODO se unen los materiales TIPO P y TIPO N (ver figura). La frontera de los dos materiales se conoce como Region de Agotamiento y es porque allí se agotan los portadores mayoritarios tanto positivos como negativos, pues se acumulan allí los iones donores y aceptores atrayendo a los portadores minoritarios de cada material.

 

En ausencia de una diferencia de potencial de polarización el flujo neto de carga en cualquier dirección es CERO.

 Ahora si aplicamos una diferencia de potencial o Voltaje a las terminales de cada material tipo N y tipo P ocurre un flujo de corriente, pero solo  EN UN SENTIDO y eso es lo que hace especial al diodo, SOLO CONDUCE EN UNA SOLA DIRECCION.

¿Y porque sucede esto?, Veamos, que pasa si aplicamos un voltaje V con su borne positivo al terminal tipo N y el borne negativo al termina tipo P. Básicamente sucede que la región tipo N tiene portadores mayoritarios negativos y estos se sentirán atraídos por el potencial positivo de la Batería, al suceder esto los iones positivos se acumulan en la región de agotamiento, los mismo sucede con los portadores mayoritarios positivos de la región tipo P que se sentirán atraídos por el potencial negativo de la batería aumentado los iones negativos en la región de agotamiento. Con esta acumulación de iones en la región de agotamiento solo unos cuantos portadores pueden pasar generando una corriente insignificante que en la práctica se reduce a CERO.

 Cuando se aplica un voltaje V con su borne positivo conectado a la región tipo P y con el borne negativo a la región tipo N, sucede un “flujo” de electrones debido a las diferencias de potencial y las fuerzas de atracción entre las cargas, disminuyendo iones en la región de agotamiento y por ende la barrera es fácil de sortear. Esto se debe a que el potencial “presiona” a los electrones a recombinarse con  los iones cercanos a la región de agotamiento. Al disminuir la región de agotamiento los electrones del material tipo N viajaran a la terminal positiva de la batería y así se genera un flujo de corriente.

Podemos así decir que en polarización directa el diodo se comporta como un conductor debido a que presenta una baja resistencia a la corriente y en polarización inversa presenta una alta resistencia a la corriente.

 Ahora bien, los fabricantes de cada DIODO exponen en sus hojas técnicas una seria de curvas. La que más nos interesa saber es el VOLTAJE al cual el diodo empieza a conducir corriente. Revisemos un datasheet de un diodo de uso común y veremos una grafica exponencial donde vemos que a 0.7 voltios el incremento de corriente aumenta significativamente, logrando la conducción, pero a voltajes negativos (polarización inversa) la corriente si apenas aumenta unos microamperios, aunque esto llega a un punto en el que a un determinado voltaje de polarización inversa el diodo conduce, a lo que se conoce como región ZENER. El voltaje de conducción para diodos de silicio es de 0.6 a 0.7 voltios y de 0.3 V para diodos de Germanio.

 

Las hojas técnicas también nos proporcionan información valiosa acerca del diodo como el voltaje directo máximo, la corriente directa máxima, la corriente de saturación inversa, nivel de voltaje inverso o PIV, niveles de capacitancia, etc todo para ciertos niveles de temperatura.

BASICAMENTE ASI ES QUE FUNCIONA UN DIODO, y nunca se te olvide que un diodo normalmente solo conduce la corriente en una sola dirección y su símbolo  es

Sus terminales son conocidas con CATODO (lado tipo N) y ANODO (lado tipo P),

 

TIPOS DE DIODO

En el mercado se pueden conseguir varios tipos de diodos como son los diodos rectificadores, los diodos led, los fotodiodos, el diodo Zener, el diodo SRC, el varicap, el diodo Schottlky, el diodo túnel, etc. Es común que en un solo encapsulado existan varios diodos, por ejemplo en un display de 8 segmentos tenemos 8 diodos leds o en un rectificador de voltaje, 4 diodos conectados. Otros diodos especiales son el Triac y el Diac

 

Electricidad

¿COMO SE CONDUCE LA ELECTRICIDAD?

Desde tiempos muy antiguos el hombre sabía que existía una fuerza en la naturaleza que podía atraer cosas, de ahí su nombre, AMBAR, que al ser frotado atraía pequeños objetos y esto lo descubrió un tal TALES DE MILETO. El caso es que La palabra ámbar en griego se dice ELECTRO y de ahí el nombre de esta maravillosa cosa llamada ELECTRICIDAD. Pero sin dar tantos preámbulos históricos vamos a ver porque se conduce la electricidad y que la produce. (Ojo, ingeniero que no sepa que es un electrón es literalmente jodido!!!!).

Imagina que tomas un delicioso pastel de chocolate de aquellos que nos gusta a la mayoría y lo divides en la cantidad de invitados que tengas a tu fiesta, si tienes 10 invitados, sacaras 10 pedazos, pero si llega mucha gente…..????,

resulta que a tu fiesta llega la población del planeta tierra, aproximadamente 7.000 millones de invitados, y te preguntas ¿será que mi pastel alcanza?, probablemente si alcanzara pero los trozos serán tan pequeños, que aunque visibles con microscopio, no alimentarían a nadie, pero si sigues dividiendo y dividiendo notaras que el pastel se ha transformado en un pequeña molécula de pastel de chocolate….pero ohhhh……tus cuchillo es tan filoso que divides esta molécula de chocolate y empiezan a aparecen trozos de materiales diferentes al chocolate…..

si….ya casi te acercas, has llegado a los elementos y veras que como de la nada te encuentras con moléculas de azúcar, cafeína,  y otras que ni de qué hablar y aun notas que todavía puedes seguir partiendo tu pastel, así que tomas, por ejemplo, aquella molécula de azúcar y empiezas a dividirla con tu cuchillo en millones de partes más chicas y ohh Voilá……..flotan en el espacio otros tres señores, llamados carbono, hidrógeno y oxigeno y vez que están agrupados en diversas combinaciones para formar aquella molécula. Así que piensas que tu trabajo acabo acá, pero por un momento decides tomar a uno de estos señores y lo divides aun mas….tomas el hidrógeno y con gran sorpresa vez que en su interior tiene otras partículas aun más pequeñas, llamadas ATOMOS, y en su interior el señor protón y el neutrón (muy pegadillos por cierto) y en la distancia infinitamente pequeña el señor chiquito llamado EL ELECTRÓN  pero tu curiosidad sigue y haces lo mismo con las moléculas de carbono y oxigeno y con gran sorpresa descubres que al final todos están compuestos de protones, neutrones y ELECTRONES.

Conclusión: tu pastel, tu cuchillo, tus invitados, y tú mismo ( y yo) estamos compuestos de ELECTRONES……y si el electrón causa la electricidad….ten cuidado, porque tú también la puedes conducir!!!!!!    

Así que este señor llamado ELECTRÓN  ¿porque puede conducir energía?, realmente, si medimos la distancia que separa al electrón del núcleo (neutrones y protones) ésta es muy grande, y la energía que lo tiene ligado al núcleo se hace más pequeña a mayor distancia, por eso los electrones más alejados del núcleo son los elegidos para escapar….pero no siempre es así…

Solo algunos elementos “elegidos” tienen la capacidad de tener un electrón que pueda saltar, ¿y por qué?, porque alguien descubrió que los átomos que tienen en su último anillo 8 electrones, estos no pueden escapar, pero aquellos que tienen menos si lo pueden hacer. Estos elementos con pocos electrones en su anillo exterior en su mayoría son los llamados METALES. Ya sé que estás pensando que tú no eres un metal y por eso no puedes conducir corriente…jejeje, después te explico que el hecho que no seas un metal no significa que no conduzcas, de hecho tú tienes más metales en tu cuerpo de lo que puedes imaginar….

Para nosotros los apasionados de la electrónica podemos imaginarnos los electrones alrededor del núcleo “girando” según el modelo de Bohr. Si quieres realmente profundizar el tema o si sientes que tu corazón lleva un científico dentro, puedes investigar el modelo de Schrodinger, el de Dirac, teoría Cuántica, electrónica molecular y atómica, electrodinámica cuántica,………etc….etc…..

¿Y cuáles metales escoger? El hombre necesita que las cosas le sean baratas, por eso aunque los metales tienen la propiedad de conducir electricidad debido que tienen algunos electrones libres, se escogen los que más abundan en nuestra querida tierra, y que tengan ciertas propiedades que permitan su transformación (como dureza, maleabilidad, ductibilidad, tenacidad, elasticidad, plasticidad, etc). ¿Y quién gano la partida?, pues entre los candidatos a mejor conductor tenemos el COBRE, EL ORO, LA PLATA, EL ALUMINIO, ……. AND THE WINNER IS……EL COBRE

Tanto gano el COBRE al mejor conductor que la conductividad del cobre puro fue adoptada en 1913 como estándar para medir a los otros conductores. Pero no nos apartemos del tema, ¿Por qué se produce la electricidad? Existen cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza, que son la fuerza aérea, la fuerza delta…jejejeje, no me creas, las cuatro fuerzas fundamentales son las fuerza nuclear débil, la nuclear fuerte, la electromagnética y la fuerza de gravedad. Nos ocuparemos de la fuerza electromagnética que afecta a los cuerpos eléctricamente cargados, y es la fuerza involucrada en las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria, tiene dos sentidos (positivo y negativo) y su alcance es infinito.

Y sin más ni más, así se produce la electricidad, simplemente cuando un ELECTRON de un átomo que tiene electrones libres, es empujado hacia otro electrón con las mismas características…..

Y ahora viene otra pregunta, ¿Qué lo empuja? Pues algo llamado LA CARGA ELÉCTRICA y es que la carga eléctrica es un propiedad intrínseca de la materia, es decir que siempre, desde el origen de los tiempos ha estado allí, nada la produce o la destruye, simplemente esta allí, como estar la gravedad que te tiene pegado a tu silla leyendo este interesante artículo.

La carga se mide en Culombio (símbolo C) y se define como la cantidad de carga que a la distancia de 1 metro ejerce sobre otra cantidad de carga igual, la fuerza de 9×109 N. “enredado noooo”

No del todo, simplemente imagina una caja repleta de pelotas, cada pelota representa un electrón, salvo que en esta caja cabe la maravillosa cifra de 6,241509 x 10¹⁸ pelotas, trata de leer esta cifra 6.241.509.000.000.000.000 (trillones no es cierto…).Esta caja con esta cantidad de electrones es un CULOMBIO, esto quiere decir que cada electrón tiene una carga negativa de 1.602176 x 10^-19 C, (es negativa por algunas razones históricas) y es esta fuerza la que puede EMPUJAR A OTRO ELECTRÓN. Este empujón puede ser de repulsión o de atracción.

Así que a grandes rasgos ya sabemos que: 1) la electricidad la produce el movimiento de los electrones, 2) que lo que empuja a los electrones es la carga eléctrica, 3) que la carga es algo “intrínseco” de la materia, 4) que el electrón es una partícula fundamental que hace parte de la del Átomo y tiene carga negativa, y 6) que los metales son los que mejor conducen la electricidad.

Si deseas ampliar y estudiar mas este tema, puedes investigar acerca del Electromagnetismo, la fuerza electromagnética, la carga eléctrica y leer las biografías de algunos grandes científicos en el área.

Y para finalizar, solo hasta el año 2009 el hombre pudo ver un átomo a través de una fotografía…..maravilloso no…..?

-El electrón es aproximadamente tres veces más grande que el protón pero es 1840 veces más liviano. Aunque en nuestro mundo real esto "sería un poco ilógico" en el mundo cuántico pueden  existir cosas que a nuestro parecer sonarían irreales.

-La carga de un electrón y un protón se llaman cargas  electrostáticas

-Reciben el nombre de iones aquellos átomos que tienen más  electrones que protones o viceversa; si tiene más electrones  son iones con carga negativa y si tienen menos electrones son  iones con carga positiva

-La fuerza centrifuga de los electrones que giran en aquella  nube tiende a sacarlos de los átomos, pero es contrarrestada por  la fuerza de atracción de los protones.

-Los electrones que pueden escapar son llamados "Electrones de  Valencia"

-Los electrones lejanos tienen mucho más energía acumulada.

-Para que exista un flujo de corriente de electrones se aplica  una fuerza electromotriz, debido a que los electrones con carga  negativa se sienten atraídos por la carga positiva, así que si  se crea una diferencia de potencial entre dos puntos, el  electrón "va a sentir la necesidad de ir al otro punto". También los electrones pueden ser movidos por fuerzas naturales como la energía luminosa en forma de fotones o energía térmica del entorno y otras causas más que impliquen una diferencia de potencial.