Diodos

Antes de pasar a definir el diodo y su utilización en el campo de la electrónica, es imprencidible aprender sus componentes. Conocemos a los semiconductores como malos conductores de la corriente eléctrica, precisamente por la dificultad a dejarse arrebatar electrones en virtud de su enlace covalente. Pero, ¿qué ocurre si introducimos entre ellos impurezas en su constitución colocando unos pocos átomos extraños que tengan 5 electrones de valencia, o bien 3 electrones de valencia? Podemos encontrar elementos de estas características, tales como el arsenio (As), el antimonio (Sb), el fósforo (P), los cueales tienen 5 electrones de valencia. Y los de 3 electrones, tales como el Indio (In), el Galio (Ga) y el aluminio (Al).

Cristal N: Introduciendo unos átomos de arsenio sobre la estructura atómica del germanio, lo cual se llama dopado, la estructura resultante queda del modo que el átomo de arsenio se integra dentro de la unión covalente de los átomos de germanio, pero el electrón sobrante ahora no tiene cabida en el sistema, de modo que queda como electrón libre. Si ahora aplicamos a uno y otro extremo del material, se establecerá una vía de paso de los electrones desde el polo negativo al positivo, de modo que el cristal se hace conductor. A este tipo de cristal se le denomina conductor N, y al cristal que lo forma cristal N o de tipo N.

Cristal P: Pondemos hacer otra conbinación que va a consistir en la introducción de la impureza a base de utilizar unos átomos que dispongan solamente de 3 electrones de valencia. Si dopamos el material con Indio, por ejemplo, y éste entra a formar parte de la estructura del cristal , habrá un átomo que tendrá su órbita exterior compartida solamente 7 electrones y ello provocará la inestabilidad del conjunto, pero en ves de quedarse con un electrón más, queda con alguna parte del cristal hay un hueco que algún electrón ha de llenar. Ocurre que por la naturaleza de los átomos, el átomo que tiene el huecosuele quedarse con el electrón más próximo que quede a su alcanze, y que en ese caso el otro átomo se quede sin electrón y a consecuencia de que esta situación se efectúa a gran velocidad, se podría hablar de un hueco que está constantemente desplazándose por todo el cristal. De esta manera el cristal resulta positivo(de tipo P) porque si le aplicamos una fuente de alimentación, se establecerá una circulación de huecos del polo positivo al negativo, es decir, los electrones habrán encontrado la vía de los huecos para atravesar todo el cristal.

Cuando unimos un cristal P con un cristal N, estamos creado un elemento de enorme importancia en la electrónica: el Diodo

En efecto: supongamos que tomamos una pieza de germanio y dopamos un extremo del mismo con indio, creando unos huecos en las órbitas de sus electrones exteriores. El extremo opuesto de esta pieza se dopa con arsenio de modo que se crea un exceso de electrones, así se forma la parte de cristal P y la parte de cristal N. En la parte central se mantiene el material prácticamente puro, de modo que se forme una zona que los electrónicos llaman zona de resistencia y también zona agotada (zona Z). Aquí, en las inmediaciones de las zonas P y N los huecos del germanio P han sido ocupados por los electrones libres del germanio N, por lo que no existe en esta parte elementos portadores de carga. La zona Z, por lo tanto, ofrece una elevada resistencia específica, manteniendo el diodo en reposo.

Sometiendo a pruebas eléctricas veremos su curiosa respuesta, al igual que hemos utilizado el germanio para hacer nuestras experiencias, podemos utilizar el silicio, con lo que nuestra experiencia daría los mismos resultados.
Tomemos una fuente de corriente eléctrica y aplicamos el borne negativo sobre el cristal P y el borne positivo sobre el cristal N. El resultado será una concentración de huecos hacia el polo negativo y de electrones libres hacia el polo positivo, con lo cual la zona Z aumentará todavía más su resistencia hasta el punto de que, al estabilizar las órbitas exteriores de la zona Z en una amplia gama, esta parte se comportará como el germanio no dopado, es decir como un cuerpo muy mal conductor de la corriente. Así pues, se ha formado una capa de bloqueo que impide el paso de la corriente en este sentido.
Ahora vamos a realizar la prueba al revés. Conectamos el borne positivo de la fuente de corriente al cristal P, y el borne negativo al cristal N. Ahora el paso de corriente se produce perfectamente la zona de resistencia Z se hace muy pequeña; los electrones del cristal N son repelidos por el potencial negativo de la fuente de alimentación y atraviesan la zona Z ocupando los huecos del cristal P, el cual cede continuamente electrones al polo positivo. La intensidad atravesada es ahora tanta como la proporcionada con el generador de acuerdo con la capacidad de paso del diodo.

Estas dos experiencias nos muestran como este pequeño y sencillo componente puede a veces ser un buen conductor de la corriente y otras mal conductor, vemos que la resistencia que ofrece esta unión PN depende del sentido de la polarización. Al sentido de la corriente de P a N se le llama sentido de paso, y a la disposición opuesta (de N a P) sentido de bloqueo. Al lado P se le da el nombre de ánodo, y al lado N, el nombre de cátodo.

Características técnicas de los Diodos

Hasta aquí ya tenemos una idea del funcionamiento de un diodo; pero conviene que profundicemos un poco más en los conceptos eléctricos que determinan este funcionamiento. Para ello vamos a servirnos de la curva característica típica de un diodo semiconductor imaginario, tal como podemos ver en el gráfico, el cual nos va a dar datos sobre el comportamiento de este componente electrónico.

El comportamiento de los diodos es más o menos similar al proporcionado por esa curva, pero los valores resultantes pueden cambiar según la potencia del diodo. Pasemos a explicar el gráfico entonces:
En primer lugar tenemos la corriente en sentido directo (If) representada en miliamperios (mA) que es la corriente que puede circular por el d iodo cuando éste presenta la mínima resistencia. Por otra parte, en la linea horizontal derecha tenemos la escala de las tensiones directas (Vf) expresadas en voltios (V) a que puede ser sometido el diodo para el paso de la corriente. Todo eso contituye la característica directa, es decir, el paso de la corriente en sentido de paso. Un diodo que tuviera las características representadas en este gráfico, al aplicarle una tensión de 20 V ya dejaría pasar unos 10 mA, pero entre 20 y 35 V se 'dispararía' y dejaría pasar más de 60 mA.
En la característica inversa, que está representada por la izquierda y en la parte baja del gráfico, se trata de mostrar el funcionamiento del diodo en el sentido de bloqueo. Obsérvese que aquí la tensión inversa (Vr) está en unidades de kilovoltios (kV), es decir, fracciones de 1000 V; y la intensidad (Ir) en fracciones mucho más pequeñas, de microamperios (uA), es decir, fracciones que equivalen a 1/1000000 de amperio. Para que la corriente acceda a pasar en sentido contrario en un diodo como el representado se precisaría una tensión entre 500 a 600 voltios con lo cual se produciría el paso de corrientes del orden de los 0,50 miliamperios.
Los valores de la característica inversa se llaman corrientes de fuga (Ir).

Funciones de los Diodos

A primera vista parece que el diodo solamente podría tener la misión de ser un rectificador de corriente, del modo que se usa en el alternador. Pero los diodos sirven para más cosas y existen, además de los diodos llamados de superficie que son los característicos que acabamos de describir, otras formas y funciones para estos componentes electrónicos. A continuación pondremos las funciones de los diodos con su respectiva explicación.

A. Como rectificadores: Este es el empleo más corriente y al que ya hemos explicado.

B. Como protector: Un circuito en donde convenga que la corriente circule solamente en un sentido determinado, y nunca en sentido contrario, puede ser protegido por la presencia de un diodo. En la imagen vemos un ejemplo en donde se ha colocado un diodo entre un generador de corriente continua y la batería. El diodo no deja pasar la corriente de la batería al generador aún cuado si lo hace desde el generador a la batería de modo que hace las veces de un disyuntor sin contactos móviles ni degaste.

C. Descarga: Puesto en derivación en un circuito dotado de una fuente de autoinducción, tal como se representa en la imagen, un diodo impide el paso de alguna corriente cuando el circuito está alimentado por una corriente exterior; pero permite el paso de una extracorriente de ruptura cuando el interruptor se abre.

D. Otras variantes: Además existen variedad de diodos con características especiales. Así, los hay de disparo, que dejan pasar la corriente cuando se alcanza un determinado valor; los hay luminiscentes, termosensibles, etc. que efectúan trabajos de regulación y estabilización de circuitos.

Clases de Diodos

Pondremos las diferentes clases de diodos que son más comunes dentro de los circuitos electrónicos que podamos usar.

- Diodos de unión.
- Diodos de punta de contacto.
- Diodo emisores de luz.
- Diodo capacitivo (varicap).
- Diodo Zener.
- Diodo túnel.
- Diodo Gunn.

Diodos de unión: Los diodos de unión son los que hemos venido describiendo en esta sección de diodos, es decir, el que consta de un cristal de germanio o de silicio, debidamente dopado, y tiene una forma cilíndrica. Son diodos para baja potencia que se usan mucho como rectificadores de pequeños aparatos. A esta clase de diodo también se le conoce con el nombre de diodos de juntura. Es muy conveniente aprenderse de memoria cada uno de los símbolos electrónicos de los diodos, ello nos facilitará la comprensión de los esquemas, no sólo los de de Areaelectronica.com, sino también cualquier esquema que necesiten entender.

Diodos de punta de contacto: Poseen unas propiedades similiares a los diodos de unión y la única diferencia es, en todo caso, el sistema de construcción que se ha aplicado. En la imagen se muestra un esquema de uno de estos elementos que consta de una punta de contacto en forma de muelle (1) que se hay conectada con un cristal de tipo P (2), el cual se haya a su vez en contacto con un cristal de tipo N (3). En la parte baja, una base metálica hace de soporte y asegura la rigidez del conjunto. Exactamente igual que ocurre con los diodos de unión, el diodo de punta de contacto se comporta dejando pasar la corriente en un solo sentido.

Diodos emisores de luz: Los diodos emisores también son conocidos con el nombre de LED (iniciales de su denominación inglesa Light Emitter Diode) que tienen la particularidad de emitir luz cuando son atravesados por la corriente eléctrica. Como quiera que consiguen una luz bastante viva y, además, con una mínima cantidad de corriente (del orden a algunas decenas de miliamperios).
Los diodos emisores de luz funcionan por un complicado proceso físico en el que desprenden fotones al volver a su órbita de valencia. La energía luminosa radiada puede ser de color verde si el elemento a sido tratado con galio-fósforo, o roja si lo sido con galio-arsenio. De hecho los galios son muy conocidos por la gran variedad de aplicaciones que se les a encontrado en todo orden de aparatos electrónicos.

Diodo capacitivo (varicap): Este diodo, también llamado diodo de capacidad variable, es, en esencia, un diodo semiconductor cuya característica principal es la de obtener una capacidad que depende de la tensión inversa a él aplicada.
Se usa especialmente en los circuitos sintonizadores de televisión y los de receptores de radio en FM.

Diodo Zener: El diodo Zener, también llamado diodo regulador de tensión, podemos definirlo como un elemento semiconductor de silicio que tiene la característica de un diodo normal cuando trabaja en sentido directo, es decir, en sentido de paso; pero en sentido inverso, y para una corriente inversa superior a un determinado valor, presenta una tensión de valor constante. Este fenómeno de tensión constante en el sentido inverso convierte a los diodos de Zener en dipositivos excepcionalmente útiles para obtener una tensión relativamente invisible a las variaciones de la tensión de alimentación, es decir, como dispositivos reguladores de tensión.

Diodo Tunel: Este diodo presenta una cualidad curiosa que se pone de manifiesto rápidamente al observar su curva característica, la cual se ve en el gráfico. En lo que respecta a la corriente en sentido de bloqueo se comporta como un diodo corriente, pero en el sentido de paso ofrece unas variantes según la tensión que se le somete. La intensidad de la corriente crece con rapidez al principio con muy poco valor de tensión hasta llegar a la cresta (C) desde donde, al recibir mayor tensión, se produce una pérdida de intensidad hasta D que vuelve a elevarse cuado se sobrepasa toda esta zona del valor de la tensión.

Diodo Gunn: Este diodo tiene características muy diferentes a los anteriores, ya que no es rectificador. Se trata de un generador de microondas, formado por un semiconductor de dos terminales que utiliza el llamado efecto Gunn. Cuando se aplica entre ánodo y cátodo una tensión continua de 7 V, de modo que el ánodo sea positivo con respecto al cátodo, la corriente que circula por el diodo es continua pero con unos impulsos superpuestos de hiperfrecuencia que pueden ser utilizados para inducir oscilaciones en una cavidad resonante. De hecho, la emisión de microondas se produce cuando las zonas de campo eléctrico elevado se desplazan del ánodo al cátodo y del cátodo al ánodo en un constante viaje rapidísimo entre ambas zonas, lo que determina la frecuencia en los impulsos.

Código de designación de Diodos Semiconductores

Para la identificación de los diodos semiconductores se utiliza un código que consta de dos letras seguidas de un número de serie:

La primera letra distingue el material del semiconductor empleado.
La segunda letra indica la aplicación principal o aplicación y construcción en el caso de que se prefiera una mayor diferenciación.
El número de serie está formado por tres cifras para los dispositivos semiconductores diseñados para aplicación en aparatos de uso doméstico, o por una letra y dos cifras para los dispositivos semiconductores diseñados para equipos profesionales.

Daremos el significado de cada una de las letras que contituyen este código para podernos orientar en el caso de tener que proceder a la sustitución de algún diodo.

Primera letra. Puede ser:
A, indica que se utilizan materiales tales como el germanio.
B, indica que se utilizan materiales tales como el silicio.
C, que se utiliza antimoniuro de indio o arseniuro de galio.

Segunda letra. Puede ser:
A, si se trata de un diodo que puede ser detector, de alta velocidad o mezclador.
B, si se trata de un diodo de capacidad variable (varicap).
E, si se trata de un diodo tunel.
Y, si se trata de un diodo rectificador.
Z, si se trata de un diodo Zener regulador de tensión.

Número de serie. Varía según el fabricante y el modelo. Cuando hay tres cifras corresponde a modelos de aplicación en aparatos domésticos. Cuando hay una letra y dos cifras se refiere al uso de aparatos profesionales.