Diodo de unión PN

Una unión PN se forma cuando un semiconductor de tipo P se fusiona con un semiconductor de tipo N creando un voltaje de barrera potencial a través de la unión del diodo.

El efecto descrito en el tutorial anterior se logra sin que se aplique ningún voltaje externo a la unión PN real que da como resultado que la unión esté en un estado de equilibrio.

Sin embargo, si tuviéramos que hacer conexiones eléctricas en los extremos de los materiales de tipo N y P y luego conectarlos a una fuente de batería, ahora existe una fuente de energía adicional para superar la barrera potencial.

El efecto de agregar esta fuente de energía adicional da como resultado que los electrones libres puedan cruzar la región de agotamiento de un lado al otro. El comportamiento de la unión PN con respecto al ancho de la barrera potencial produce un dispositivo de dos terminales conductores asimétricos, más conocido como el 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 corriente en una sola dirección. Sin embargo, a diferencia de una resistencia, un diodo no se comporta linealmente con respecto al voltaje aplicado, ya que el diodo tiene una relación corriente-voltaje (IV) exponencial y, por lo tanto, no podemos describir su funcionamiento simplemente usando una ecuación como la ley de Ohm.

Si se aplica un voltaje positivo adecuado (polarización directa) entre los dos extremos de la unión PN, puede suministrar electrones libres y huecos con la energía adicional que necesitan para cruzar la unión a medida que disminuye el ancho de la capa de agotamiento alrededor de la unión PN. .

Al aplicar un voltaje negativo (polarización inversa), las cargas libres se retiran 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 misma permitiendo o bloqueando el flujo de corriente a través de la unión PN de los diodos.

Luego, la capa de agotamiento se ensancha con un aumento en la aplicación de un voltaje inverso y se estrecha con un aumento en la aplicación de un voltaje directo. Esto se debe a las diferencias en las propiedades eléctricas en los dos lados de la unión PN que provocan cambios físicos. Uno de los resultados produce la rectificación como se ve en las características de IV estática (corriente-voltaje) de los diodos de unión PN. La rectificación se muestra mediante un flujo de corriente asimétrico cuando la polaridad del voltaje de polarización se modifica como se muestra a continuación:

Símbolo del diodo de unión y características del estático IV 

pn junction diode characteristics - Diodo de unión PN - ClasesParaTodos.org

Pero antes de que podamos usar la unión PN como un dispositivo práctico o como un dispositivo rectificador, primero debemos polarizar la unión, es decir, conectar un potencial de voltaje a través de ella. En el eje de voltaje de arriba, «polarización inversa» se refiere a un potencial de voltaje externo que aumenta la barrera de potencial. Se dice que un voltaje externo que disminuye la barrera de potencial actúa en la dirección de «polarización hacia adelante».

Hay dos regiones operativas y tres posibles condiciones de «polarización» para el diodo de unión estas son:

  • 1. Desviación cero : no se aplica ningún potencial de voltaje externo al diodo de unión PN.
  • 2. Sesgo inverso : el potencial de voltaje está conectado negativo, (-) al material de tipo P y positivo, (+) al material de tipo N a través del diodo, lo que tiene el efecto de aumentar el ancho del diodo de unión PN.
  • 3. Polarización directa : el potencial de voltaje está conectado positivo, (+) al material de tipo P y negativo, (-) al material de tipo N a través del diodo, lo que tiene el efecto de disminuir el ancho de los diodos de unión PN.

Diodo de unión con polarización cero

Cuando un diodo se conecta en una condición de  polarización cero, no se aplica energía potencial externa a la unión PN. Sin embargo, si los terminales de los diodos están en cortocircuito, algunos orificios (portadores mayoritarios) en el material de 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 la “Corriente Directa” y se hace referencia a él como IF.

Asimismo, 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 la“Corriente Inversa”y se hace referencia como IR.Esta transferencia de electrones y huecos hacia adelante y hacia atrás a través de la unión PN se conoce como difusión, como se muestra a continuación:

Diodo de unión PN con polarización cero

pn junction zero bias - Diodo de unión PN - ClasesParaTodos.org

La barrera 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 desplazarse a través de la unión.

Entonces se establecerá un “Equilibrio” o equilibrio cuando las portadoras mayoritarias sean iguales y ambas se muevan en direcciones opuestas, de modo que el resultado neto sea una corriente cero fluyendo en el circuito. 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 se puede romper al elevar la temperatura de la unión PN, lo que provoca un aumento en 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.

Diodo de unión PN con polarización inversa

Cuando se conecta un diodo en una condición de  polarización inversa, se aplica un voltaje positivo al material de tipo N y un voltaje negativo al material de tipo P.

El voltaje positivo aplicado al material tipo N atrae electrones hacia el electrodo positivo y lejos de la unión, mientras que los orificios en el extremo tipo P también se alejan 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 una ruta de alta impedancia, casi un aislante y se crea una barrera de alto potencial a través de la unión evitando así que la corriente fluya a través del material semiconductor.

Aumento de la capa de agotamiento debido a polarización inversa

pn junction reverse bias - Diodo de unión PN - ClasesParaTodos.org

Esta condición representa un valor de resistencia alto para la unión PN y prácticamente cero flujos de corriente a través del diodo de unión con un aumento en la tensión de polarización. Sin embargo, una muy pequeña corriente de fuga inversa fluye a través de la unión que normalmente se puede medir en microamperios ( μA ).

Un último punto, si el voltaje de polarización inversa Vr aplicado 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 se cortocircuite y resultará en el flujo de corriente máxima del circuito, y esto se muestra como un paso hacia abajo en la curva de características estáticas inversas a continuación:

Curva de características inversas para un diodo de unión

pn junction diode reverse characteristics - Diodo de unión PN - ClasesParaTodos.org

A veces, este efecto de avalancha tiene aplicaciones prácticas en circuitos estabilizadores de voltaje donde se usa 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 voltaje fijo a través del diodo. Estos tipos de diodos se conocen comúnmente como diodos Zener y se tratan en un tutorial posterior.

Diodo de unión PN con polarización directa

Cuando un diodo se conecta en una condición de polarización directa, se aplica un voltaje negativo al material de tipo N y se aplica un voltaje positivo al material de tipo P. Si esta tensión externa supera el valor de la barrera de potencial, aprox. 0,7 voltios para silicio y 0,3 voltios para germanio, la oposición de barreras potenciales se superará y la corriente comenzará a fluir.

Esto se debe a que el voltaje negativo empuja o repele los electrones hacia la unión, dándoles la energía para cruzarse y combinarse con los agujeros empujados en la dirección opuesta hacia la unión por el voltaje positivo. Esto da como resultado una curva característica de corriente cero que fluye hasta este punto de voltaje, llamado «rodilla» en las curvas estáticas y luego un flujo de corriente alto a través del diodo con un pequeño aumento en el voltaje externo como se muestra a continuación:

Curva de características hacia adelante para un diodo de unión

pn junction forward characteristics - Diodo de unión PN - ClasesParaTodos.org

La aplicación de un voltaje de polarización hacia adelante en el diodo de unión da como resultado que la capa de agotamiento se vuelva muy delgada y estrecha, lo que representa una ruta de baja impedancia a través de la unión, lo que permite que fluyan altas corrientes. El punto en el que se produce este aumento repentino de la corriente se representa en la curva de características de IV estática anterior como el punto de «rodilla».

Reducción de la capa de agotamiento debido a polarización directa

pn junction forward bias - Diodo de unión PN - ClasesParaTodos.org

Esta condición representa la ruta de baja resistencia a través de la unión PN que permite que corrientes muy grandes fluyan a través del diodo con solo un pequeño aumento en la tensión de polarización. La diferencia de potencial real a través de la unión o diodo se mantiene constante por la acción de la capa de agotamiento a aproximadamente 0.3v para germanio y aproximadamente 0.7v para diodos de unión de silicio.

Dado que el diodo puede conducir corriente «infinita» por encima de este punto de inflexión, ya que se convierte efectivamente en un cortocircuito, por lo tanto, las resistencias se utilizan en serie con el diodo para limitar su flujo de corriente. Exceder su especificación de corriente directa máxima hace que el dispositivo disipe más energía en forma de calor de la que fue diseñada, lo que resulta en una falla muy rápida del dispositivo.

Resumen del diodo de unión PN

La región de un diodo de unión PN tiene las siguientes características importantes: 

  • Los semiconductores contienen dos tipos de portadores de carga móviles, «agujeros» y «electrones».
  • Los huecos tienen carga positiva mientras que los electrones tienen carga negativa.
  • Un semiconductor puede estar dopado con impurezas donantes como el antimonio (dopaje de tipo N), de modo que contenga cargas móviles que son principalmente electrones.
  • Un semiconductor puede estar dopado con impurezas aceptoras como el boro (dopaje tipo P), de modo que contenga cargas móviles que son principalmente huecos.
  • La región de unión en sí no tiene portadores de carga y se conoce como región de agotamiento.
  • La región de unión (agotamiento) tiene un grosor físico que varía con el voltaje aplicado.
  • Cuando un diodo tiene polarización cero, no se aplica una fuente de energía externa y natural a la barrera de potencial se desarrolla a través de una capa de agotamiento que es de aproximadamente 0,5 a 0,7 V para diodos de silicio y aproximadamente 0,3 voltios para diodos de germanio.
  • Cuando un diodo de unión está polarizado hacia adelante, el grosor de la región de agotamiento se reduce y el diodo actúa como un cortocircuito que permite que fluya la corriente del circuito completo.
  • Cuando un diodo de unión tiene polarización inversa, el grosor de la región de agotamiento aumenta y el diodo actúa como un circuito abierto que bloquea cualquier flujo de corriente (solo fluirá una corriente de fuga muy pequeña).

También hemos visto anteriormente que el diodo es un dispositivo no lineal de dos terminales cuya característica IV depende de la polaridad, ya que depende de la polaridad del voltaje aplicado, polarización VD, el diodo tiene directa, VD > 0 o polarización inversa, VD <0. De cualquier manera, podemos modelar estas características de corriente-voltaje tanto para un diodo ideal como para un diodo de silicio real como se muestra:

Características ideales y reales del diodo de unión

junction diode ideal and real characteristics - Diodo de unión PN - ClasesParaTodos.org

En el siguiente tutorial sobre diodos, veremos el pequeño diodo de señal a veces llamado diodo de conmutación que se utiliza en circuitos electrónicos generales. Como su nombre lo indica, el diodo de señal está diseñado para aplicaciones de señal de baja tensión o alta frecuencia, como en circuitos de conmutación de radio o digitales.

Los diodos de señal, como el 1N4148, solo pasan corrientes eléctricas muy pequeñas a diferencia de los diodos de rectificación de la red de alta corriente en los que se suelen utilizar diodos de silicio. También en el siguiente tutorial examinaremos la curva y los parámetros de las características de corriente-voltaje estática del diodo de señal.

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