¿Qué es un Diodo de unión PN?

No se puede entender por completo al Diodo de unión PN sin antes tener en cuenta la teoría de como funciona la configuración PN , anteriormente hablábamos sobre como obtener en si el equilibrio en la unión, pero qué sucedería si sometemos ahora sometemos a la unión PN a una fuente de voltaje externa. Si hiciéramos conexiones eléctricas en los extremos de los materiales tipo N y tipo P y luego los conectáramos a una fuente de batería, ahora hay una fuente de energía adicional para superar la barrera de potencial.

El efecto de añadir esta fuente de energía adicional hace que los electrones libres puedan cruzar la región de agotamiento de un lado a otro. El comportamiento de la unión PN con respecto a la anchura de la barrera de potencial produce un dispositivo con dos terminales conductores asimétricos, más conocido como diodo de unión PN.

Un diodo de unión PN es uno de los dispositivos semiconductores más simples que existen y tiene la característica de pasar la corriente en una sola dirección. Sin embargo, a diferencia de una resistencia, un diodo no se comporta de forma lineal con respecto a la tensión aplicada, ya que el diodo tiene una relación corriente-voltaje (IV) exponencial y, por tanto, no podemos describir su funcionamiento simplemente utilizando una ecuación como la ley de Ohm.

Si se aplica una tensión positiva adecuada (polarización directa) entre los dos extremos de la unión PN, ésta puede suministrar a los electrones y huecos libres la energía adicional que necesitan para cruzar la unión a medida que disminuye la anchura de la capa de agotamiento alrededor de la unión PN.

Al aplicar una tensión negativa (polarización inversa), se eliminan las cargas libres de la unión, lo que aumenta la anchura de la capa de agotamiento. Esto tiene el efecto de aumentar o disminuir la resistencia efectiva de la unión en sí, permitiendo o bloqueando el flujo de corriente a través de la unión PN de los diodos.

Posteriormente, la capa de agotamiento se ensancha con un aumento de la aplicación de una tensión inversa y se estrecha con un aumento de la aplicación de una tensión directa. Esto se debe a las diferencias en las propiedades eléctricas de los dos lados de la unión PN que provocan cambios físicos. Uno de los resultados produce la rectificación, como se ve en las características estáticas de I-V (corriente-tensión) de los diodos de unión PN. La rectificación se muestra por el flujo de corriente asimétrica cuando se altera la polaridad de la tensión de polarización, como se muestra en la imagen correspondiente.

Símbolo de un Diodo de Unión PN

En el mundo de la electrónica y diagramas podemos toparnos con este símbolo.

Símbolo electrónico del diodo pn

También podemos toparnos a este diagrama, para aclarar tanto el ánodo como el cátodo. Lo mismo aplica para la imagen de arriba.

símbolo del diodo

Característica de un Diodo (I-V)

gráfico estático diodo

La tensión de ruptura o de "rodilla" se da a 0.3 volts para el Germanio a 0.7 volts para el Silicio.

Pero antes de poder utilizar la unión PN como un dispositivo práctico o como un dispositivo rectificador, primero debemos polarizar la unión de forma inversa, es decir, conectar un potencial de voltaje a través de ella. En el eje de tensión inverso, "polarización inversa" se refiere a un potencial de tensión externo que aumenta la barrera de potencial. Una tensión externa que disminuye la barrera de potencial se dice que actúa en la dirección de "polarización directa".

Hay dos regiones de funcionamiento y tres posibles condiciones de "polarización" para el diodo de unión estándar y son:

  1. Polarización Nula o Cero
  2. Polarización Inversa
  3. Polarización Directa

Polarización Nula

Cuando un diodo está conectado en condiciones de polarización cero, no se aplica ninguna energía potencial externa a la unión PN. Sin embargo, si los terminales del diodo están en cortocircuito, algunos huecos (portadores mayoritarios) en el material tipo P con suficiente energía para superar la barrera de potencial se moverán a través de la unión contra este potencial de barrera. Esto se conoce como "corriente directa" y se simboliza como IF.

Del mismo modo, los huecos generados en el material tipo N (portadores minoritarios), encuentran esta situación favorable y se mueven a través de la unión en la dirección opuesta. Esto se conoce como "corriente inversa" y se simboliza  IR . Esta transferencia de electrones y huecos de ida y vuelta a través de la unión PN se conoce como difusión, como se muestra a continuación.

Diodo de unión PN cero

Veamos el siguiente diagrama y gráfica:

Gráfica de la polarización cero

La barrera de potencial que existe ahora desalienta la difusión de más portadores mayoritarios a través de la unión. Sin embargo, la barrera de potencial ayuda a los portadores minoritarios (pocos electrones libres en la región P y pocos huecos en la región N) a moverse a través de la unión.

Entonces se establece un "Equilibrio" o balanza cuando los portadores mayoritarios son iguales y ambos se mueven en direcciones opuestas, de modo que el resultado neto es que la corriente que fluye en el circuito es nula. Cuando esto ocurre, se dice que la unión está en un estado de "equilibrio dinámico".

Los portadores minoritarios se generan constantemente debido a la energía térmica, por lo que este estado de equilibrio puede romperse aumentando la temperatura de la unión PN, lo que provoca un aumento de la generación de portadores minoritarios, lo que resulta en un aumento de la corriente de fuga, pero la corriente eléctrica no puede fluir. ya que no se ha conectado ningún circuito a la unión PN.

Polarización Inversa

Cuando un diodo se conecta en condiciones de polarización inversa, se aplica una tensión positiva al material de tipo N y una tensión negativa al material de tipo P.

La tensión positiva aplicada al material de tipo N atrae a los electrones hacia el electrodo positivo y los aleja de la unión, mientras que los huecos del extremo de tipo P también son atraídos lejos de la unión hacia el electrodo negativo.

El resultado neto es que la capa de agotamiento se ensancha debido a la falta de electrones y huecos y presenta un camino de alta impedancia, casi un aislante y se crea una alta barrera de potencial a través de la unión, impidiendo así que la corriente fluya a través del material semiconductor.

Polarización Inversa

Veamos el siguiente diagrama:

Polarización Inversa

Esta condición representa un alto valor de resistencia para la unión PN y prácticamente no fluye corriente a través del diodo de unión con un aumento de la tensión de polarización. Sin embargo, una corriente de fuga inversa muy pequeña fluye a través de la unión que normalmente se puede medir en micro-amperios ( μA ).

Un último punto, si la tensión de polarización inversa Vr aplicada al diodo se incrementa a un valor suficientemente alto, hará que la unión PN del diodo se sobrecaliente y falle debido al efecto de avalancha alrededor de la unión. Esto puede hacer que el diodo entre en cortocircuito y provocará el pico de flujo de corriente del circuito, y esto se muestra como un escalón descendente en la curva característica estática inversa de abajo.

Curva característica inversa

A veces, este efecto de avalancha tiene aplicaciones prácticas en los circuitos estabilizadores de tensión donde se utiliza una resistencia limitadora en serie con el diodo para limitar esta corriente de ruptura inversa a un valor máximo preestablecido, produciendo así una salida de tensión fija a través del diodo. Estos tipos de diodos se encuentran a menudo como diodos Zener.

Polarización Directa

Cuando se conecta un diodo en condiciones de polarización directa, se aplica una tensión negativa al material de tipo N y una tensión positiva al material de tipo P. Si esta tensión externa supera el valor de la barrera de potencial, aproximadamente 0,7 voltios para el silicio y 0,3 voltios para el germanio, se superará la oposición de la barrera de potencial y comenzará a fluir la corriente.

Esto se debe a que la tensión negativa empuja o repele a los electrones hacia la unión, dándoles la energía para cruzar y combinarse con los huecos empujados en dirección opuesta hacia la unión por la tensión positiva. Esto da lugar a una curva característica de flujo de corriente cero hasta este punto de tensión, llamada "rodilla" en las curvas estáticas, y luego un flujo de corriente alto a través del diodo con un pequeño aumento de la tensión externa, como se muestra a continuación.

gráfica de polirazación directa

La aplicación de una tensión de polarización directa a través del diodo de unión hace que la capa de agotamiento se vuelva muy fina y estrecha, lo que representa un camino de baja impedancia a través de la unión, permitiendo que fluyan altas corrientes. El punto en el que se produce este aumento repentino de la corriente se representa en la curva de características IV estáticas anterior como el punto de "rodilla".

Ahora veamos la reducción de la capa de agotamiento:

voltaje de polarizacion directa

Veamos el siguiente diagrama:

Polarización Directa

Esta condición representa el camino de baja resistencia a través de la unión PN que permite que fluyan corrientes muy grandes a través del diodo con sólo un pequeño aumento de la tensión de polarización. La diferencia de potencial real a través de la unión o el diodo se mantiene constante por la acción de la capa de agotamiento en aproximadamente 0,3v para el germanio y aproximadamente 0,7v para los diodos de unión de silicio.

Dado que el diodo puede conducir una corriente "infinita" por encima de este punto de inflexión, ya que se convierte en un cortocircuito, se utilizan resistencias en serie con el diodo para limitar su flujo de corriente. Superar su especificación de corriente continua máxima hace que el dispositivo disipe más energía en forma de calor de la que fue diseñado, lo que provoca un fallo muy rápido del dispositivo.

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