INTRODUCCION
A LOS DIODOS SEMICONDUCTORES
1. SEMICONDUCTORES INTRINSECOS.
Un semiconductor es un material no conductor, que al recibir energia ya sea en forma de calor, luminosa etc.. se vuelve conductor. Esto es debido a que los enlaces entre àtomos son muy dèbiles y cualquier energia que se aplique al semiconductor los rompe. Los semiconductores màs utilizados son el silicio y el germanio.
La explicacion de porque estos elementos son semiconductores es la siguiente : El silicio y el germanio disponen de 4 electrones en su ultima capa que representaremos como en la figura 1.
Como los àtomos de Si y de Ge son estables y por tanto aislantes completando su ultima capa con 8 electrones, se unen entre si compartiendo sus electrones con el àtomo màs cercano, tal como se indica en la figura 2.
En realidad estos electrones compartidos estan cambiando constantemente de un átomo al otro asi:
Este tipo de enlace se llama enlace covalente y es muy debil por lo que cualquier forma de energia es capaz de romper estos enlaces, creando electrones libres y por tanto haciendolo conductor.
2.- DOPADO DE UN SEMICONDUCTOR.
El semiconductor intrinseco (en estado puro) no se suele utilizar en electronica. Para que un cristal semiconductor tenga aplicacion se tiene que dopar. El dopado de un semiconductor consiste en introducir impurezas en la estructura del semiconductor, es decir, introducir en esta estructura cristalina, átomos cuya ultima capa tenga un número de electrones distintos de 4, provocando inestabilidad en la estructura.
Dependiendo de que el átomo introducido en la estructura del semiconductor, tenga más o menos de cuatro electrones en su ultima capa, obtendremos dos tipos de semiconductores distintos:
2-a.- Impurezas tipo N.
Las impurezas de tipo N son elementos que tienen 5 electrones en su ultima capa como Fosforo (P), Antimonio(Sb) etc.., que al ser introducidos en la estructura del semiconductor hace que queden electrones libres (ver figura 3). Estos electrones van saltando de un àtomo sin tener un lugar estable. A este tipo de cristal se le llama CRISTAL N debido a que es ligeramente negativo.
Este tipo de cristal lo representaremos para simplificar mediante circulos con un signo positivo en el centro y un signo " - " fuera. Este tipo de representacion nos serà muy util a la hora de ver su comportamiento, ya que cuando estàn asi el àtomo es estable, la carga positiva del nucleo con el electron externo se anulan quedando el àtomo neutro (ver fig.4), sin embargo si el electron que sobra salta a otro àtomo el primero quedarà positivo, mientras que el segundo tendrà dos electrones quedando negativo, esto lo veremos con màs profundidad cuando estudiemos la union P-N.
2-b.- Impurezas del tipo P.
Las impurezas del tipo P son elementos que tienen 3 electrones en su ultima capa como Boro(B), Aluminio(Al), Galio(Ga), etc..., que al ser introducidos en la estructura del semiconductor hace que queden huecos libres, de forma que el hueco introducido por la impureza se rellenarà con el electron mas cercano (ver fig.5). Estos huecos se desplazan por el cristal haciendo que el cristal sea conductor. A este tipo de cristal se le llama CRISTAL P por ser ligeramente positivo.
Este tipo de cristal lo representaremos al contrario del cristal N tal como se vè en la figura 6.
3.- UNION P-N.
Si ponemos en contacto un cristal P con otro N es decir un cristal al que le sobran electrones con otro al que le faltan, en principio los electrones que sobran del cristal N pasaran al cristal P y los huecos, del P al N, a este proceso se le llama difusion, proceso que se detiene ràpidamente, ya que al rellenar un hueco con un electron el àtomo completa su utima capa y no deja pasar màs electrones apareciendo una zona neutra que deben superar los electrones, a esta zona se le llama barrera de potencial,(ver figura 7).
4.- POLARIZACION DE LA UNION P - N.
Una union P-N la podemos polarizar de dos formas cristal N positivo y P negativo o al contrario. Veamos como se comporta en cada caso.
4 - a.- Cristal N positivo y cristal P negativo.
Al polarizar el cristal P negativo rellenaremos los huecos de este cristal con los electrones de la fuente, mientras que en el cristal N los huecos de la fuente anularàn los electrones del cristal N haciendo que la barrera de potencial crezca, impidiendo el paso de los electrones a travès de ella (ver fig.8).
4 - b.- Cristal N negativo y cristal P positivo.
Al polarizar el cristal N negativo introduciremos electrones en el cristal N, que al estar saturado de electrones los fuerza a entrar en la barrera de potencial, al entrar en esta zona el electron pasa por difusion pasa al otro cristal, como vimos en el punto anterior, siendo anulado por el polo positivo de la fuente, estableciendose asi una corriente de electrones del cristal N al cristal P como se indica en la figura 9.
Para que se introduzca un electron dentro de la barrera de potencial, la energia del mismo debe ser igual o superior al de la barrera de potencial es decir unos 0,7 V. en Silicio y 0,3 V. en el germanio.
5.- EL DIODO.
El diodo es una union P-N cuyo comportamiento es el desarrollado en el apartado 4. El diodo funciona bàsicamente dejando pasar corriente en un sentido llamandose ahora el cristal P ANODO y al cristal N CATODO diciendo que el diodo està polarizado DIRECTAMENTE cuando conduce, e INVERSAMENTE cuando està polarizado al contrario.
El simbolo del diodo es el indicado en la figura 10, indicando el sentido de la flecha la circulacion convencional de la corriente. ( De + a - ).
6 .‑ CURVA CARACTERISTICA DEL DIODO.
Si tomamos un diodo y le aplicamos una tension entre sus extremos que pueda variar tanto de tension como de polaridad así
y representamos en unos ejes coordenados cartesianos estos valores, obtendríamos una gràfica parecida a esta.
En esta curva caracteristica del diodo podemos observar distintos puntos criticos que se detallan a continuacion:
Tension de umbral. Es la tension en la cuàl el diodo polarizado directamente empieza a conducir, es decir la barrera de potencial que deben superar los electrones(0,7 V. en Silicio o 0.3 V. en Germanio).Corriente de fugas. Es la pequeña corriente que circula cuando el diodo està polarizado inversamente, y es debida a la ruptura de algunos enlaces covalentes. Estas rupturas son tan infrecuentes que la intensidad que circula es muy pequeña, del orden de microamperios.
Tension de ruptura. Es la tension en la que el diodo polarizado inversamente rompe los enlaces covalentes y se hace conductor. En los diodos normales antes de llegar a esta tension el diodo se rompe, aunque hay un tipo de diodos que se fabrican para trabajar en esta zona llamados diodos zener cuyo estudio veremos màs adelante.
Si observamos la curva del diodo polarizado directamente observaremos que su comportamiento no es lineal, asi en polarizacion directa observamos que hasta 0,5 V. aproximadamente el diodo no conduce nada, de 0,5 a 0,8 Voltios su comportamiento no es lineal ya que a cada incremento de tension le corresponde un aumento de intensidad distinto y por ultimo la zona que và desde los 0,8 voltios en adelante que tampoco se comporta linealmente pero se aproxima mucho.7.‑ APROXIMACION DEL DIODO.
El estudio de un circuito con diodos de forma exacta es muy complicado ya que cada diodo incluso siendo el mismo modelo tienen curvas de respuestas ligeramente distintas dando el fabricante un margen de valores, asi:
Si quisieramos trabajar con estas curvas, seria muy complicado hacer los cálculos, asi que recurrimos a una aproximación ideal. En esta aproximacion consideramos que el diodo empieza a conducir a los 0,7 V si es de Si o a 0,3 si es de Ge y con una resistencia interna de cero ohmios.
y en polarizacion inversa su resistencia es infinito, sin que existan por tanto corrientes de fugas.
8 - APLICACIONES DEL DIODO.
La red electrica suministra la energia en forma de corriente alterna (en europa tension de 220 V. frecuencia de 50 Hz). Esta energía es muy distinta de la que utilizamos en circuitos electrónicos ya que siempre utilizamos tensiones muy bajas y además de corriente continua. Para transformar esta energia en otra que sirva para los circuitos electrónicos debemos seguir los siguientes pasos:
8-1 TRANSFORMACION.
En este primer paso reduciremos la tension de la red a nuestras necesidades (5v-24V...). Esta reduccion de la tension alterna como vimos en temas anteriores se realiza mediante un transformador que tendrà mas espiras en el primario que en el secundario es decir N1 > N2.
La relacion de transformacion està relacionada con la tension por la formula:
Como la potencia permanece constante en el transformador.
8-2.‑ CONVERSION DE CORRIENTE ALTERNA EN CONTINUA.
En electronica la corriente utilizada es continua por tanto debemos convertir la corrienta transformada anteriormente en corriente continua. Esta conversion de corriente alterna en continua se le llama RECTIFICADO, donde tienen gran utilidad los diodos.
Antes de continuar veremos los distintos tipos de rectificadores utilizados.8-2‑a.‑ Rectificadores de media onda.
La aplicacion màs inmediata del diodo es el rectificado de la corriente alterna y esto se hace colocando la resistencia en serie con la carga. (ver fig.19).
Podemos observar como el primer paso es un transformador reductor y a la salida hemos colocado el diodo en serie con la carga, este diodo solo deja pasar la corriente cuando el borne superior es positivo y el inferior negativo o sea en los semiciclos positivos, mientras que con polaridad opuesta el diodo se bloquea y no conduce. La corriente obtenida es continua ya que el borne A serà siempre positivo mientras que el B siempre serà negativo.
En la figura 19 podemos no hemos tenido en cuenta los 0,7 V, así la salida real serà.
8-2‑b.‑ Rectificador de onda completa.
Como en el rectificador de media onda eliminamos uno de los semiciclos, no aprovechamos toda la energia del transformador, por eso el rectificador anterior se usa poco, asi los màs usados son lor rectificadores de onda completa.
El rectificador de onda completa es el siguiente:
Antes de explicar el funcionamiento del circuito analizemos el transformador. Este transformador tiene el secundario con una toma intermedia, cuyas señales son las siguientes:
El funcionamiento del rectificador es el siguiente:
‑ Durante el semiciclo positivo el transformador tiene las polaridades indicadas en la figura 23 por tanto el diodo D‑1 conducirà ya que està polarizado directamente mientras que el diodo D‑2 estarà impidiendo el paso de corriente a travès de el, quedando el circuito equivalente al de la fig.23.
‑ Durante el semiciclo negativo las polaridades seràn las contrarias asi el diodo D‑1 estarà bloqueado mientras que el diodo D‑2 conducirà quedando el circuito equivalente de la fig.24 .
Las tensiones obtenidas en cada diodo seràn:
8-2‑c.‑ Rectificador de doble onda por puente de diodos.
El rectificador de doble onda empleado anteriormente tuvo su mayor utilizacion cuando los diodos aùn eran caros y era conveniente su ahorro, actualmente los precios han descendido mucho por lo que su utilizacion es mucho mayor y es mas rentable el siguiente montaje.
Este montaje funciona de la siguiente manera:
‑ Cuando llega el semiciclo positivo conducen los diodos D2 y D3 mientras que los diodos D1 y D4 permanecen bloqueados, circulando la corriente tal como se indica en la fig. 27.
Podemos observar como la corriente circula de la parte superior de la resistencia hacia la inferior y ademàs atraviesa dos diodos, en cada uno de los cuales caen 0,7 Voltios.
‑Cuando llega el semiciclo negativo los diodos que conducen son D1 y D4, mientras que los diodos D4 y D2 permanecen bloqueados quedando el circuito equivalente al de la fig. 28.
En este caso vemos que la corriente vuelve a atravesar la carga de arriba hacia abajo, pasando por dos diodos. El hecho de atravesar dos diodos en cada semiciclo supone una caida de tension en cada semiciclo de 1,4 Voltios(0,7V+0,7V), por tanto las perdidas sufridas por este rectificador seràn mayores que la del rectificador de onda completa anterios, sin embargo se ahorra un bobinado secundario que ocupa mayor volumen y cuesta màs que los diodos, ganando el diseño en compacidad y economia.
8-3.‑FILTRADO.
Hasta ahora hemos obtenido una corriente continua pulsatoria, a esta corriente hay que eliminarle estas fluctuaciones.
La forma màs sencilla de eliminar las pulsaciones es colocando un condensador en paralelo con la resistencia de carga. El condensador como sabemos tiene la propiedad de almacenar carga cuando se le somete a una diferencia de potencial y descargarse cuando esta desaparece, por tanto si hacemos esto con un rectificador de media onda obtendremos el siguiente circuito.
Al llegar el primer semiciclo al condensador, se carga hasta la tension de pico, pero al bajar la tension del valor de pico el condensador que estaba cargado tiene en la armadura positiva màs tension que la fuente, por tanto D1 se bloquea, y el condensador empieza a descargarse sobre la resistencia,
hasta que llega el siguiente semiciclo que vuelve a cargar el condensador hasta la tension de pico a esta pequeña fluctuacion que queda sobre la señal se le llama RIZADO.
Si el condensador lo ponemos a la salida de un rectificador de onda completa el efecto serà el mismo que en el circuito anterior solo que ahora el condensador no se descarga tanto como en el anterior obteniendo a la salida un rizado menor.(ver fig.31)
