INTRODUCCION
La
sociedad actual ha experimentado cambios nunca antes vistos. Somos testigos de
la influencia de la Electrónica en todos los aspectos de la tecnología. Es
inconcebible la vida moderna sin los medios de comunicación (radio, televisión,
telefonía), sin los sistemas de manejo de información (computación), sin la
electrónica de consumo en el hogar, sin los avances de la medicina auxiliados
por la técnica. Todo ha sido posible gracias a los trabajos de investigación y
desarrollo tecnológico, los cuales se han visto acelerados a partir de la
invención de los diodos y transistores. Estos dispositivos basados en
materiales semiconductores, a partir de los cuales se fabrican prácticamente
todos los sistemas electrónicos actuales. La tecnología de los semiconductores
es un factor básico en las economías de los países desarrollados.
De
acuerdo con la facilidad con que se mueven los electrones por el interior de
las sustancias se establecen tres tipos de éstas: conductores, aislantes y
semiconductores. La facilidad del movimiento depende de la estructura atómica
de la sustancia.
Conductores. Son
sustancias que poseen muchos electrones libres. El movimiento errático de
dichos electrones puede encauzarse en una dirección aplicando una fuerza y
conseguir un flujo electrónico.
Aislantes. También
llamados dieléctricos, son sustancias, cuya estructura atómica retiene
fuertemente a los electrones y el movimiento de éstos sólo se produce dentro de
los límites del átomo.
Semiconductores.
Estas sustancias tienen propiedades intermedias entre la de los
conductores y la de los aislantes. La cantidad de electrones libres depende de
determinado factor (calor, luminosidad,, etc.).
Definición
de Diodo
Un
diodo es una sustancia cuya conductividad es menor que la de un conductor y
mayor que la de un aislante. El grado de conducción de cualquier sustancia
depende, en gran parte, del número de electrones libres que contenga. En un
conductor este número es grande y en un semiconductor pequeño es insignificante.
El número de electrones libres de un semiconductor depende de los siguientes
factores: calor, luz, campos eléctricos y magnéticos aplicados y cantidad de
impurezas presentes en la sustancia.
Compresión
Para
comprender más que son los diodos semiconductores es necesario en primer lugar
familiarizarse con las características de los cuerpos básicos y modificados que
se utilizan.
Los
cuerpos básicos, en las aplicaciones comerciales, son el germanio y el silicio
purificados preparados especialmente en estado de cristal. Estos cuerpos son
excelentes aislantes porque la estructura cristalina mantiene eficazmente en su
lugar todos los electrones externos que normalmente quedarían libres para
entrar en la circulación de corriente.
El
diagrama representa la vista simplificada de un cuerpo puro semiconductor tal
como el germanio o el silicio. Cada átomo tiene cuatro electrones externos
representados por pequeños signos negativos. Los electrones internos ligados al
núcleo y el mismo núcleo, se representan mediante un circulo en negro. A causa
de la estructura cristalina, los núcleos están alineados en disposición
simétrica y cada electrón externo comparte la órbita de otro electrón externo
de un átomo vecino. Es esta disposición de órbitas compartidas que mantiene
eficazmente cada electrón en su lugar y no algún fuerte encadenamiento extraño
entre el electrón y su núcleo.
Para
que una tensión aplicada diera lugar a un flujo de electrones, debería ser
suficientemente alta para romper la ligadura de los electrones antes de que
dichos electrones quedaran libres para moverse hacia el terminal de tensión
positiva. Al romper la ligadura, la tensión destruiría también la estructura
cristalina.
Como
que no puede circular corriente eléctrica a través de un cuerpo cristalino puro
tal como el descrito, aquel cuerpo debe modificarse para obtener una
circulación de corriente que se pueda gobernar.
Un
método para obtener circulación de corriente es añadir una pequeña cantidad de
átomos que tengan cinco electrones externos. Los átomos adecuados para este fin
son los de fósforo, antimonio y más frecuentemente, arsénico. Estos átomos son
distribuídos a través del cuerpo básico puro mientras se lo está tratando para
que adquiera el estado cristalino y la estructura que se representa en el
esquema. La proporción de los átomos que forman la impureza es del orden de una
parte en cien millones. Una proporción mayor a una circulación de corriente que
ya no puede gobernarse.
Los
átomos que forman la impureza se introducen en la estructura de la misma manera
que los átomos del cuerpo básico. La diferencia importante estriba en que el
electrón externo adicional de cada átomo de la impureza queda sin encadenarse
con la estructura cristalina. Si se conecta una tensión contínua (CC) entre los
extremos de un trozo de semejante material, los electrones encadenados quedan
libres para circular a través de la estructura cristalina hacia el borne
positivo. El número total de electrones no encadenados en el cristal permanece
siempre el mismo —cada electrón que abandona el cristal en el terminal positivo
es reemplazado por otro que entra por el negativo. En consecuencia, se produce
una circulación constante de corriente.
Como
que la circulación de corriente en este material se debe a un exceso de
partículas (electrones) negativas, se conoce a tal material como semiconductor
"por exceso", o del "tipo N".
Existe
otro método de modificar el cuerpo básico cristalino puro para obtener un flujo
de corriente que se pueda gobernar. Durante el tratamiento del cuerpo básico,
los átomos de la impureza, tales como los de aluminio, boro o indio, se añaden
en pequeñas cantidades. Estos átomos que forman la impureza tienen solamente
tres electrones externos y se introducen en la estructura cristalina tal como
se representa en el diagrama.
La
comparación de este diagrama con el correspondiente al cuerpo básico puro
muestra que a la estructura modificada le falta un electrón por cada átomo de
impureza. El espacio que deja en la estructura el electrón que falta, se
denomina "poro". Se refiere al espacio existente entre las moléculas
de los cuerpos. Observe que el poro no está situado necesariamente en la
vecindad inmediata del átomo de impureza. Durante el tratamiento, el átomo de
la impureza atrae un electrón externo próximo para llenar el espacio de la
estructura cristalina que le rodea y el poro "se mueve" hacia algún
lugar. Una serie de electrones externos puede abandonar sus núcleos para llenar
el espacio y el "poro" puede viajar una distancia considerable antes
de alcanzar una posición de equilibrio.
Aplicando
una tensión de CC a través de los extremos de un trozo de este material el
"poro" tiene las características de una carga positiva y circula
hacia el terminal negativo de la fuente de tensión. El número total de
"poros" en el cristal se mantiene siempre igual. Cada
"poro" que alcanza el extremo negativo del cristal es neutralizado
por un electrón que abandona el terminal positivo y entra en el cristal. Esto
da al cristal un exceso de carga negativa. E1 cristal vuelve a ganar una carga
neutra cuando descarga un electrón al terminal de tensión positiva y crea otro
"poro". E1 nuevo "poro" circula hacia el terminal negativo
dando como resultado una continua circulación de "poros" a través del
cristal y un flujo continuo de electrones a través de los conductores.
Como
que la circulación de corriente en este cuerpo se debe a faltas
("poros") en la estructura cristalina y estas faltas simulan cargas
positivas, el material es conocido como semiconductor "por defecto",
o del "tipo P".
Un
diodo semiconductor consta esencialmente de materiales semiconductores de los
tipos P y N en íntimo contacto entre sí.
Existen
dos tipos básicos de diodos semiconductores en uso actualmente el de
"unión" y el de "puntos de contacto". Existen algunas
variaciones fundamenteles de cada uno de los tipos básicos que también se
examinaran.
En
la practica corriente se encuentran dos tipos diferentes de unión. En la unión
se forma "por crecimiento" en el diodo y en el otro la unión se por
"difusión".
El
dibujo representa en forma simplificada la disposición para formar una unión
por crecimiento. Dentro de un recipiente hermético en el cual se ha hecho el
vacío, o se lo llena de un gas inerte, se suspende un crisol que contiene germanio
puro. Mediante una bobina de inducción se calienta el germanio hasta su punto
de fusión. Para comenzar la formación del diodo, se le añade impureza del tipo
N, la que se difunde a través de la masa en fusión. Una pequeña barra, cortada
de un solo cristal de germanio, se sumerge hasta tocar la superficie del
germanio fundido y luego se la retira lentamente haciéndola girar. El germanio
fundido se solidifica en el punto de contacto con la barra sólida y el proceso
de extracción determina el crecimiento de una varilla de germanio tipo N. Esta
varilla es en realidad un solo cristal perfecto con un diámetro del orden, de
25 milímetros.
La
unión se forma después de que la varilla ha crecido hasta una longitud de unos
12 milímetros. Se ánade suficiente cantidad de impureza de tipo P para
neutralizar la impureza de tipo N y convertir al germanio en tipo P. Se
continúa el proceso de extracción y el resto de la varilla es germanio tipo P.
Toda
la varilla es un solo cristal de germanio y la única diferencia es el tipo de
impureza de sus dos mitades. Se corta de la varilla la región de unión P-N, que
se divide en aproximadamente un centenar de pequeños prismas conteniendo todos
la unión. Cada conjunto va provisto de terminales de alambre, conectados por
fusión o soldadura, y el todo se encierra en un recipiente que lo protege
mecánicamente y lo aísla de la atmósfera.
Se
explicó anteriormente que un diodo semiconductor consiste básicamente en una
unión entre semiconductores tipo P y tipo N. A primera vista no parece existir
unión P-N en el sistema de puntos de contacto. En realidad, no se comprende muy
bien la manera de trabajar del diodo de puntos de contacto. En una u otra
forma, independientemente de las diversas suposiciones que puedan hacerse,
estas teorías llegan a conclusiones de que hay algo en la región del punto de
contacto que trabaja de manera similar a una unión P-N.
Una
comprobación de esta teoría es el hecho de que los diodos de germanio de tipo N
construidos de esta manera, generalmente trabajan mejor después de una
"formación". La formación consiste en hacer pasar un fuerte impulso
de corriente a través del diodo. Después de la formación, la punta del alambre
de contacto se encuentra unida a la placa semiconductora. La intensa corriente,
aparentemente funde el material semiconductor en la región de la punta de
contacto. Esta rápida fusión y enfriamiento ocasiona al parecer una conversión
localizada de la materia tipo N en materia tipo P formándose asá una unión P-N.
Los motivos de esta conversión son difíciles de explicar, pero pruebas exactas
demuestran que la conversión tiene lugar.
TIPOS
DE DIODOS
En
esta página se representan varios tipos de diodos semiconductores disponibles
comercialmente. Puede verse que existe una amplia variedad de disposiciones
físicas. Se incluyen entre ellas, cilindros de cerámica con extremos metálicos,
tubos de vidrio con o sin extremos metálicos, recipientes de plástico,
recipientes metálicos recubiertos de plástico y cilindros metálicos con montura
de tornillo. Algunas de estas variantes externas se deben a preferencias del
fabricante. Otras características tienen una función especifica, tal como la
montura de tornillo, que puede emplearse para disipar el calor producido por
los rectificadores de potencia.
Aunque
no siempre aparente sin atento examen, muchos de los recipientes de los diodos
semiconductores están marcados con una flecha. La flecha señala el sentido de
fácil circulación de corriente, tal como la indicaría un instrumento de CC. La
razón de este sistema de marca es permitir al técnico y a quien efectúe
reparaciones un método seguro de establecer las conexiones necesarias. Se
elimina así la necesidad de deducir esta información mediante un esquema que
puede dar lugar a confusión en algunos casos especiales. En muchos esquemas,
los diodos semiconductores aparecen marcados según esta disposición.
Los
diodos semiconductores son de gran flexibilidad de aplicación. Pueden
utilizarse en todas aquellas aplicaciones en las que actualmente se emplean los
rectificadores metálicos secos y los diodos de vacío; y tienen algunas
aplicaciones poco corrientes que les son exclusivas. La ventaja de utilizar un
diodo semiconductor en su reemplazo es que generalmente es menor, más eficaz y
trabaja a frecuencias notablemente superiores que el tubo de vacío o el
rectificador metálico seco, y no requiere energía para el filamento, como en el
caso del tubo de vacío.
El
dispositivo más sencillo consta de una resistencia, un rectificador y el
sistema móvil de un instrumento de CC. El flujo de electrones indicado por las
flechas negras pasa a través del sistema móvil del instrumento, haciendo
desviar su aguja. Este flujo de electrones es consecuencia de un semiciclo
contrario de la tensión de la línea. La circulación de electrones resultante
del semiciclo contrario de la tensión de la línea está representada por flechas
blancas. Aunque el dispositivo móvil del instrumento está atravesado solamente
por impulsos de corriente continua, la aguja no puede moverse con la rapidez
necesaria para seguir sus máximos y mínimos, indicando el valor medio de los
impulsos de corriente.
Frecuentemente,
la resistencia es variable de modo que la lectura que señala la aguja pueda
ajustarse según el alcance del instrumento. Utilizando como rectificador un
diodo semiconductor, el instrumento puede calibrarse a la frecuencia de la
línea del alumbrado y dará lecturas exactas del voltaje, mediante un factor de
corrección, a frecuencias de hasta cientos de megaciclos.
En
los circuitos de AF ( audiofrecuencia ) y RF ( radiofrecuencia ), sin embargo,
esta falta de uniformidad en la carga puede dar lugar a lecturas inexactas y
perturbar el trabajo del circuito. Añadiendo otro rectificador al sistema, se
deriva el semiciclo no utilizado hacia un camino de baja resistencia externo al
instrumento, obteniéndose así una carga bastante uniforme. Puede utilizarse un
circuito en puente de cuatro rectificadores, como se ve en el esquema, de modo
que los dos semiciclos de la corriente alterna circulen a través del
instrumento en el mismo sentido. Esto da como resultado una carga equilibrada
para los dos semiciclos de corriente.
Otras
aplicaciones de los diodos semiconductores incluyen su utilización en los
circuitos de fuentes de alimentación. En tales aplicaciones, los diodos
semiconductores tienen la ventaja de ser robustos, de larga vida, de poco
tamaño y capaces de grandes intensidades de salida. Unicamente hasta ahora los
semiconductores eran más caros que los rectificadores metálicos secos equivalentes
y se disponía de una selección muy limitada de tipos capaces de proporcionar
mucha potencia. Actualmente, los diodos semiconductores se usan frecuentemente
con preferencia a los rectificadores metálicos a causa de la economía de
espacio y mayor rendimiento y porque la diferencia de costos es pequeña.
Si
se emplean los diodos semiconductores en fuentes de alimentación, los circuitos
más comunes son el de media onda y el montaje en puente. Son equivalentes a los
circuitos para instrumentos de medida descritos anteriormente.
El
objeto de las resistencias en serie con los rectificadores es impedir un exceso
de corriente que podría estropear el rectificador, como ocurriría en el caso
eventual de un cortocircuito o de una sobrecarga en el equipo al cual el
rectificador estuviese conectado. Entre el rectificador y la carga puede
disponerse de un filtro RC (resistencia - capacidad) o bien un filtro LC
(inductancia - capacidad). También puede disponerse del circuito doblador de
voltaje que representa el esquema.
En
los circuitos receptores, los diodos semiconductores pueden utilizarse como
eficaces mezcladores o detectores.
Vamos
a estudiar ejemplos de ambos circuitos.
El
esquema representa un mezclador de diodo semiconductor, muy sencillo. Este
mezclador trabaja bien en las bandas de broadcasting, televisión y de
microondas. No se usa frecuentemente en las bandas de broadcasting o
televisión, puesto que su ganancia es menor que la unidad, y puede obtenerse
una ganancia importante por medio de los mezcladores de tubo de vacío o de
transistores. En las frecuencias correspondientes a las microondas, sin
embargo, el mezclador de diodo semiconductor trabaja eficazmente donde otros
circuitos fallan.
Cuando
el circuito está en funcionamiento, el oscilador local entrega una tensión
constante al rectificador. Se obtiene en consecuencia un flujo constante de
corriente a través del mezclador semiconductor, flujo de corriente que consiste
en impulsos unidireccionales a la frecuencia del oscilador local. La señal de RF
de entrada, proveniente de la antena, también se aplica al mezclador. Tiene
lugar la acción heterodina de manera similar a la del circuito mezclador normal
y la salida del mezclador consiste en cuatro frecuencias diferentes: la
frecuencia de la señal de RF que viene de la antena, la frecuencia del
oscilador local, la suma de estas dos señales de entrada y la diferencia de las
mismas. Como en el caso del mezclador normal, el transformador de FI
(frecuencia intermedia) está sintonizado únicamente a la señal diferencia de
las dos de entrada; y la amplificación de la señal modulada tiene lugar a la
frecuencia más baja.
En
las aplicaciones como detector, el circuito de diodo semiconductor es
esencialmente el mismo que el circuito de tubo de vacío y el circuito para
medidas estudiado anteriormente.
Cuando
la señal de FI modulada en amplitud es rectificada, se obtiene una corriente
pulsatoria unidireccional cuyos componentes son una señal de FI y una señal de
AF. La componente de FI es derivada a masa mediante un condensador que tiene
poca capacidad para derivar también la componente de audio. Resulta así que la
componente de audio es la señal aplicada a la entrada del audio amplificador,
habiéndose efectuado así la detección.
RESUMEN
CUERPOS
SEMICONDUCTORES
— El germanio y el silicio puros cristalizados son
los cuerpos básicos utilizados corrientemente en los diodos semiconductores y
transistores. Estos cuerpos son excelentes aislantes debido a que la estructura
cristalina mantiene firmemente en su lugar a todos los electrones externos.
SEMICONDUCTOR
TIPO N
—Puede obtenerse un cuerpo semiconductor añadiendo
átomos de impureza que penetran en la estructura cristalina pero que tienen un
exceso de electrones externos no encadenados a la estructura. El flujo de corriente
es conducido por el exceso de electrones cargados negativamente que circulan a
través del cristal hacia el terminal cargado positivamente.
SEMICONDUCTOR
TIPO P
—También puede obtenerse la conducción añadiendo
átomos de impureza que no tienen suficiente número de electrones externos para
llenar todos los encadenamientos de cristal. Los espacios por llenar se
denominan "poros" y tienen las características de cargas positivas.
A1 aplicar una tensión, los "poros"
circulan hacia el terminal del cristal cargado negativamente.
DIODO
DE UNION
— Un diodo de unión consiste en cuerpos
semiconductores de los tipos P y N en íntimo contacto. La unión puede obtenerse
durante el proceso de formación del cristal (unión por crecimiento) o mediante
un sistema de disolución y recristalización (unión por aleación).
DIODO
DE PUNTOS DE CONTACTO
— E1 diodo de puntos de contacto consiste en una
placa de un cuerpo semiconductor de tipo P o tipo N en contacto con un alambre
puntiagudo. La región de contacto puede considerarse como una unión P-N.
POLARIZACION
DIRECTA
—La disposición de polarización de la unión P-N que
muestra el dibujo, se conoce como "polarización directa". Se
necesitan solamente algunos voltios para hacer que todos los "poros"
y electrones en exceso circulen hacia la unión dando por resultado la máxima
intensidad de corriente permisible.
POLARIZACION
INVERSA
— Cuando las conexiones de polarización de la unión
son contrarias a la polarización directa, todos los "poros" y
electrones en exceso circulan separándose de la unión y no dan lugar a un flujo
continuo de corriente.
Unicamente "poros" y electrones erráticos
pueden formar un flujo continuo de corriente. Se necesitan tensiones elevadas,
y la máxima corriente que se obtiene es só10 una fracción de la obtenida
mediante la polarización directa.
APLICACIONES
DEL DIODO SEMICONDUCTOR
ANEXO A
Como complemento importante
dentro de la investigación realizada para obtener el presente trabajo se
encontraron varias páginas web en la red mundial de datos "Internet"
que nos explican claramente los conceptos necesarios en el tema
"Diodos" pero que por su importancia en contenido y alto grado de
sencillez se escogieron dos 2 de ellas en este Anexo.
Al finalizar la lectura podremos
ver que algunos de los conceptos que se explican ya se han descrito
anteriormente con la bibliografía anota, pero que igualmente representan un
aporte importante para la mejor comprensión del tema en discusión.
BIBLIOGRAFIA
Electrónica Básica, Diodos
Semiconductores, Pag. 19-34
Van Valkenburgh, Nooger
& Neville, Inc
Ed. Bell S.A.
Electrónica General, Tomo I,
Tecnología Electrónica, Semiconductores, Pag. 251-260.
Luis Gómez de Tejada y Sanz
Ed. PARANINFO S.A.
Internet
http://www.ieec.uned.es/ieec/documentos/ffi-ieec/apl_html/capit_11/c1.htm
Internet
http://www.ieec.uned.es/ieec/documentos/ffi-ieec/apl_html/capit_11/c111.htm
Bibliografía utilizada:
www.lafacu.com