Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un único sentido; en el sentido contrario no lo permite. Este término generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad; consta de una pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. El diodo de vacío (que actualmente ya no se usa, excepto para tecnologías de alta potencia) es un tubo de vacío con dos electrodos: una lámina como ánodo, y un cátodo.
Historia
Diodo de vacío, usado comúnmente hasta la invención del diodo semiconductor, este último también llamado diodo sólido.
Aunque el diodo semiconductor de estado sólido se popularizó antes del diodo termoiónico, ambos se desarrollaron al mismo tiempo.
En
1873 Frederick Guthrie descubrió el principio de operación de los diodos
térmicos. Guhtrie descubrió que un
electroscopio cargado positivamente podría descargarse al acercarse una pieza de metal caliente, sin necesidad de que este lo tocara. No sucedía lo mismo con un electroscopio cargado negativamente, reflejando esto que el flujo de corriente era posible solamente en una dirección.
Independientemente, el
13 de febrero de
1880 Thomas Edison re-descubre el principio. A su vez, Edison investigaba porque los filamentos de carbón de las bombillas se quemaban al final del terminal positivo. El había construido una bombilla con un filamento adicional y una con una lámina metálica dentro de la lámpara, eléctricamente aislada del filamento. Cuando uso este dispositivo, el confirmó que una corriente fluía del filamento incandescente a través del vació a la lámina metálica, pero esto solo sucedía cuando la lámina estaba conectada positivamente.
Edison diseño un circuito que reemplaza la bombilla por un resistor con un voltímetro de
DC. Edison obtuvo una patente para este invento en 1884. Aparentemente no tenía uso práctico para esa época. Por lo cual, la patente era probablemente para precaución, en caso de que alguien encontrara un uso al llamado
Efecto Edison.
Aproximadamente 20 años después,
John Ambrose Fleming (científico asesor de
Marconi Company y antiguo empleado de Edison) se dio cuenta que el efecto Edison podría usarse como un radio detector de precisión. Fleming patentó el primer diodo termoiónico en
Britain el 16 de noviembre de 1904.
En 1874 el científico alemán
Karl Ferdinand Braun descubrió la naturaleza de conducir por una sola dirección de los cristales semiconductores. Braun patentó el rectificador de cristal en 1899. Los
rectificadores de
óxido de cobre y selenio fueron desarrollados para aplicaciones de alta potencia en la década de los 1930.
El científico indio
Jagdish Chandra Bose fue el primero en usar un cristal semiconductor para detectar ondas de radio en 1894. El
detector de cristal semiconductor fue desarrollado en un dispositivo práctico para la recepción de señales inalámbricas por
Greenleaf Whittier Pickard, quién inventó un detector de cristal de
silicio en 1903 y recibió una patente de ello el 20 de noviembre de 2006. Otros experimentos probaron con gran variedad de sustancias, de las cuales se usó ampliamente el mineral
galena. Otras sustancias ofrecieron un rendimiento ligeramente mayor, pero el galena fue el que más se usó porque tenía la ventaja de ser barato y fácil de obtener. Al principio de la era del radio, el detector de cristal semiconductor consistía de un cable ajustable (el muy nombrado bigote de gato) el cual se podía mover manualmente a través del cristal para así obtener una señal óptima. Este dispositivo problemático fue rápidamente superado por los diodos termoiónicos, aunque el detector de cristal semiconductor volvió a usarse frecuentemente con la llegada de los económicos diodos de germanio en la década de 1950.
En la época de su invención, estos dispositivos fueron conocidos como rectificadores. En 1919,
William Henry Eccles acuñó el término diodo del griego
dia, que significa separado, y
ode (de ὅδος), que significa camino.
Diodos termoiónicos y de estado gaseoso
Símbolo de un diodo de vacío o gaseoso. De arriba a abajo, sus componentes son, el ánodo, el cátodo, y el filamento.
Los diodos termoiónicos son dispositivos de
válvula termoiónica (también conocida como tubo de vacío), que consisten en un arreglo de electrodos empacados en un vidrio al vacío. Los primeros modelos eran muy parecidos a la
lámpara incandescente.
En los diodos de válvula termoiónica, una corriente a través del filamento que se va a calentar calienta indirectamente el cátodo, otro electrodo interno tratado con una mezcla de Bario y óxido de estroncio, los cuales son óxidos alcalinotérreos; se eligen estas substancias porque tienen una pequeña función de trabajo (algunas válvulas usan calentamiento directo, donde un filamento de tungsteno actúa como calentador y como cátodo). El calentamiento causa emisión termoiónica de electrones en el vacío. En polarización directa, el ánodo estaba cargado positivamente por lo cual atraía electrones. Sin embargo, los electrones no eran fácilmente transportados de la superficie del ánodo que no estaba caliente cuando la válvula termoiónica estaba en polarización inversa. Además, cualquier corriente en este caso es insignificante.
En la mayoría del siglo 20 los diodos de válvula termoiónica se usaron en aplicaciones de señales análogas, rectificadores y potencia. Hasta el día de hoy, los diodos de válvula solamente se usan en aplicaciones exclusivas como rectificadores en guitarras eléctricas, amplificadores de audio, así como equipo especializado de alta tensión.
Diodo semiconductor
Formación de la región de agotamiento, en la gráfica z.c.e.
Un diodo semiconductor moderno está hecho de cristal semiconductor como el silicio con impurezas en él para crear una región que contiene portadores de carga negativos (electrones), llamado semiconductor de tipo n, y una región en el otro lado que contiene portadores de carga positiva (huecos), llamado semiconductor tipo p. Las terminales del diodo se unen a cada región. El límite dentro del cristal de estas dos regiones, llamado una unión PN, es donde la importancia del diodo toma su lugar. El cristal conduce una corriente de electrones del lado n (llamado cátodo), pero no en la dirección opuesta; es decir, cuando una corriente convencional fluye del ánodo al cátodo (opuesto al flujo de los electrones, desde que los electrones tengan carga negativa).
Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de
electrones del cristal n al p (J
e). Al establecerse una corriente de difusión, estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe el nombre de
región de agotamiento.
A medida que progresa el proceso de difusión, la región de agotamiento va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la zona n con una determinada
fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.
Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (V
D) es de 0,7
V en el caso del
silicio y 0,4 V para los cristales de
germanio.
La anchura de la región de agotamiento una vez alcanzado el equilibrio, suele ser del orden de 0,5
micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor.
Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización
directa o
inversa
Polarización directa de un diodo
Polarización directa del diodo pn.
En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad.
Para que un diodo esté polarizado directamente, se debe conectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos observar que:
- El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n.
- El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.
- Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n.
- Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería.
De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final.
Polarización inversa de un diodo
Polarización inversa del diodo pn.
En este caso, el polo negativo de la
batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación:
- El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de valencia, ver semiconductor y átomo) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos.
- El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos.
- Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería.
En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la
temperatura se formarán pares electrón-hueco (ver
semiconductor) a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μ
A) denominada
corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada
corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fuga es despreciable.
Curva característica del diodo
Curva característica del diodo.
- Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ ).
La tensión umbral (también llamada barrera de potencial) de polarización directa coincide en valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodo no polarizado. Al polarizar directamente el diodo, la barrera de potencial inicial se va reduciendo, incrementando la corriente ligeramente, alrededor del 1% de la nominal. Sin embargo, cuando la tensión externa supera la tensión umbral, la barrera de potencial desaparece, de forma que para pequeños incrementos de tensión se producen grandes variaciones de la intensidad de corriente.
- Corriente máxima (Imax ).
Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto Joule. Dado que es función de la cantidad de calor que puede disipar el diodo, depende sobre todo del diseño del mismo.
- Corriente inversa de saturación (Is ).
Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la
formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica por cada incremento de 10º en la temperatura.
- Corriente superficial de fugas.
Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo (ver polarización inversa), esta corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial de fugas.
- Tensión de ruptura (Vr ).
Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha.
Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente inversa de saturación; en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, en el diodo
normal o de
unión abrupta la ruptura se debe al efecto avalancha; no obstante hay otro tipo de diodos, como los Zener, en los que la ruptura puede deberse a dos efectos:
- Efecto avalancha (diodos poco dopados). En polarización inversa se generan pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la tensión inversa es elevada los electrones se aceleran incrementando su energía cinética de forma que al chocar con electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de conducción. Estos electrones liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión, chocando con más electrones de valencia y liberándolos a su vez. El resultado es una avalancha de electrones que provoca una corriente grande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a 6 V.
- Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material, menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E puede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d; cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el campo eléctrico será grande, del orden de 3·105 V/cm. En estas condiciones, el propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia incrementándose la corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V o menores.
Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos especiales, como los Zener, se puede producir por ambos efectos.
Modelos matemáticos
El modelo matemático más empleado es el de
Shockley (en honor a
William Bradford Shockley) que permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayoría de las aplicaciones. La ecuación que liga la
intensidad de corriente y la
diferencia de potencial es:
Donde:
- I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo
- VD es la diferencia de tensión entre sus extremos.
- IS es la corriente de saturación (aproximadamente 10 − 12A)
- n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo y que suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio).
El Voltaje térmico
VT es aproximadamente 25.85mV en 300K, una temperatura cercana a la temperatura ambiente, muy usada en los programas de simulación de circuitos. Para cada temperatura existe una constante conocida definida por:
Donde k es la
constante de Boltzmann,
T es la temperatura absoluta de la unión pn, y
q es la magnitud de la carga de un
electrón (la
carga elemental).
La
ecuación de diodo ideal de Schockley o la
ley de diodo se deriva de asumir que solo los procesos que le dan corriente al diodo son por el flujo (debido al campo eléctrico), difusión, y la recombinación térmica. También asume que la corriente de recombinación en la región de agotamiento es insignificante. Esto significa que la ecuación de Schockley no tiene en cuenta los procesos relacionados con la región de ruptura e inducción por fotones. Adicionalmente, no describe la estabilización de la curva I-V en polarización activa debido a la resistencia interna.
Bajo voltajes negativos, la exponencial en la ecuación del diodo es insignificante. y la corriente es una constante negativa del valor de I
s. La región de ruptura no esta modelada en la ecuación de diodo de Schockley.
Para voltajes pequeños en la región de polarización directa, se puede eliminar el 1 de la ecuación, quedando como resultado:
Con objeto de evitar el uso de exponenciales, en ocasiones se emplean modelos más simples aún, que modelan las zonas de funcionamiento del diodo por tramos rectos; son los llamados
modelos de continua o de
Ram-señal. El más simple de todos es el
diodo ideal.
Tipos de diodo semiconductor
Varios diodos semiconductores. Abajo: Un
puente rectificador. En la mayoría de los diodos, el terminal
cátodo se indica pintando una franja blanca o negra.
Existen varios tipos de diodos, que pueden diferir en su aspecto físico, impurezas, uso de electrodos, que tienen características eléctricas particulares usados para una aplicación especial en un circuito. El funcionamiento de estos diodos es fundamentado por principios de la
mecánica cuántica y
teoría de bandas.
Los diodos normales, los cuales operan como se describía más arriba, se hacen generalmente de silicio dopado o germanio. Antes del desarrollo de estos diodos rectificadores de silicio, se usaba el
óxido cuproso y el
selenio: su baja eficiencia le dio una caída de tensión muy alta (desde 1,4 a 1,7V) y requerían de una gran disipación de calor mucho más grande que un diodo de silicio. La gran mayoría de los diodos pn se encuentran en
circuitos integrados CMOS, que incluyen dos diodos por pin y muchos otros diodos internos.
Aplicaciones del diodo
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