Tema 3: Componentes electrónicos. El diodo semiconductor

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3.1 Principio de funcionamiento

Bandas de energía

Un cristal es una ordenación regular de átomos repetida en tres dimensiones. Al juntarse los átomos:

• Solo cambian los niveles de energía de los electrones de la capa exterior.
• Esos niveles se agrupan en bandas de estados de energía muy próximos entre sí.
• Banda de valencia (energías bajas): electrones ligados a los átomos, que forman los enlaces.
• Banda de conducción (energías altas): electrones que se mueven libremente por el cristal y permiten conducir.
• Entre las dos queda la banda prohibida, de anchura $E_g$ (gap).

Ejemplo con el carbono: la misma sustancia puede ser diamante (cúbico, transparente, duro y aislante) o grafito (hexagonal, negro, blando y conductor). Lo que cambia es la ordenación de los átomos y, con ella, las bandas.

Materiales semiconductores

• Elementales: silicio (Si) y germanio (Ge), con 4 electrones en la última capa.
• Compuestos IV: SiC, SiGe.
• Compuestos III-V: binarios (GaAs, GaP, InP…), ternarios (GaAsP, AlGaAs), cuaternarios (InGaAsP).
• Compuestos II-VI: ZnS, ZnSe, CdS, CdTe…

Semiconductores extrínsecos (dopados)

Se añaden impurezas de forma controlada, por difusión o implantación iónica:

Truco para recordarlo: P de positivo (sobran huecos) y N de negativo (sobran electrones).

La unión PN

Un semiconductor solo, P o N, sirve de poco. Lo interesante aparece al unir uno P y uno N, y de ahí salen todos los dispositivos:

• 1 unión PN → diodos (zéner, LED, Schottky, fotodiodo…).
• 2 uniones → transistores (bipolar, JFET, MOSFET, fototransistor…).
• Varias uniones → tiristores (SCR, TRIAC, DIAC…).
• Asociaciones: optoacopladores, displays, puentes rectificadores… y los circuitos integrados.

En la unión se forma una zona de transición. La zona P es el ánodo y la N el cátodo. (La descubrió por accidente Russell Ohl en los laboratorios Bell, en 1940.)

• Polarización directa (ánodo más positivo que el cátodo): huecos y electrones invaden la zona de transición y la estrechan. Circula una corriente de mayoritarios que puede ser grande.
• Polarización inversa (cátodo más positivo): los portadores se alejan y la zona se ensancha. Solo circula una corriente de minoritarios muy pequeña, idealmente nula.

3.2 Curva característica del diodo

Diodo ideal:

• Si $i_d > 0$: conduce y se comporta como un cortocircuito ($u_d = 0$).
• Si $u_d < 0$: bloquea y se comporta como un circuito abierto ($i_d = 0$).

Diodo real frente al ideal:

• En bloqueo, casi ideal: circula una corriente de fugas pequeñísima.
• En conducción, no es un corto perfecto: hay una pequeña caída de tensión.
• El paso de conducción a bloqueo es rápido, pero no instantáneo.
• Su curva es no lineal.

Parámetros de hoja de características (ejemplo de la diapositiva):

Modelos linealizados

Como la curva real es no lineal, se aproxima por tramos rectos. Se elige el modelo según la precisión que haga falta:

La resistencia dinámica es $r_d = \dfrac{1}{\tan\alpha}$, la inversa de la pendiente del tramo de conducción.

Estrategias de análisis

En todos los ejemplos siguientes: resistencia de 1 kΩ y diodo en serie, con el ánodo a la izquierda. La $v$ del diodo se mide como $v = V_{ánodo} - V_{cátodo}$ y la $i$ va de izquierda a derecha, de ánodo a cátodo.

Ejemplo 1: fuente de 5 V a la izquierda, 15 V a la derecha (diodo ideal)

• Suposición: bloquea, luego $i = 0$.
• Sin corriente no cae tensión en la resistencia, así que el diodo soporta toda la diferencia: $v = 5 - 15 = -10$ V.
• Comprobación: $v = -10\text{ V} < 0$ ✔. Coherente.

Resultado: $i = 0$, $v = -10$ V (diodo en bloqueo).

Ejemplo 2: fuente de 15 V a la izquierda, 5 V a la derecha

Malla: $15 - 1\,000\cdot i - v - 5 = 0 \;\Rightarrow\; i = \dfrac{10 - v}{1\,000}$.

1. Diodo ideal ($v = 0$): $i = \dfrac{10}{1\text{k}} = 10$ mA. Como $i>0$ ✔, $v = 0$ V.
2. Caída de 0,6 V ($v = 0{,}6$): $i = \dfrac{10 - 0{,}6}{1\text{k}} = 9{,}4$ mA ✔, $v = 0{,}6$ V.
3. 0,6 V y $r_d = 0{,}1$ Ω ($v = 0{,}6 + 0{,}1\,i$):

Conclusión: con 1 kΩ en serie, $r_d$ no influye casi nada. Pasar del modelo ideal al de 0,6 V cambia un 6 %; añadir $r_d$ cambia un 0,001 %. Normalmente basta con el modelo 2.

Ejemplo 3: mismo circuito, resolución gráfica

La curva del diodo se da dibujada: conduce a partir de unos 0,6 V y llega a unos 10 mA cerca de 1 V.

Recta de carga: $i = \dfrac{10 - v}{1\text{ k}\Omega}$.

• En vacío ($i=0$): $v = 10$ V.
• En cortocircuito ($v=0$): $i = 10$ mA.

Es una recta casi horizontal, que baja de 10 mA en $v=0$ a 0 en $v=10$ V. Corta la subida brusca de la curva del diodo poco antes de 1 V:

Punto de funcionamiento: $V_P \approx 0{,}9$ V, $I_P \approx 9{,}1$ mA. Casi lo mismo que con el modelo de 0,6 V.

3.3 Tipos de diodos

Diodo zéner

• En directa: funciona como un diodo normal.
• En inversa: también conduce, pero a partir de una tensión de codo mucho mayor, la tensión zéner $V_z$. En esa zona mantiene $V_z$ casi constante aunque varíe la corriente.
• Modelo más simple, con la tensión referida al zéner ($u_z = V_{cátodo} - V_{ánodo}$):
  • $u_z < V_z$: circuito abierto.
  • Conduciendo en inversa: fuente de tensión $V_z$.
  • En directa: diodo normal.

Ejemplo 4: zéner de 5 V, fuente de 5 V a la izquierda y 15 V a la derecha

• En zona zéner, $v = V_{ánodo} - V_{cátodo} = -5$ V.
• Malla: $5 - 1\,000\cdot i - v = 15 \;\Rightarrow\; 5 - 1\,000\,i + 5 = 15 \;\Rightarrow\; i = -5$ mA.
• Comprobación: la corriente sale negativa, es decir, circula de derecha a izquierda (de cátodo a ánodo). Es justo el sentido de conducción en zona zéner ✔.

Resultado: $v = -5$ V, $i = -5$ mA (5 mA de cátodo a ánodo).

LED (diodo emisor de luz)

• Hecho de un compuesto III-V (p. ej. GaAs). Polarizado en directa, emite fotones de una longitud de onda concreta: el color.
• Su tensión de codo no se puede despreciar: entre 1,5 y 2 V, según el color.
• Corriente media típica: 10 mA. Siempre se pone con una resistencia en serie que la limite.
• Display de 7 segmentos: 7 LEDs (a–g) con el cátodo común o el ánodo común.

Fotodiodo

• Compuesto III-V que, polarizado en inversa, deja pasar una corriente proporcional a la luz que recibe: $I = f(\text{luz})$.
• Aplicaciones: sensores de luz (fotómetros), comunicaciones ópticas… y, trabajando en el cuadrante que entrega potencia, como célula solar (paneles solares).

Otros diodos

• Láser: parecido al LED, pero solo emite como láser a partir de una corriente umbral (típicamente de 10 a 100 mA).
• Schottky: unión metal–semiconductor N. Muy rápido y con poca caída (~0,2 V). Se usa en electrónica digital.
• Otros: varicap, diodo túnel…

3.4 Circuitos con diodos y aplicaciones

Rectificador de media onda

Fuente $u_e$, diodo y resistencia de carga $R_L$ en serie; la salida $u_S$ se toma en $R_L$. Con diodo ideal:

• $u_e > 0$: el diodo conduce, $u_S = u_e$.
• $u_e < 0$: el diodo bloquea, $u_S = 0$.

Solo pasan los semiciclos positivos.

Rectificador de onda completa

• $u_e > 0 \Rightarrow u_S = u_e$.
• $u_e < 0 \Rightarrow u_S = -u_e$.

La salida es $|u_e|$: los semiciclos negativos se "dan la vuelta".

• Puente de diodos (4 diodos): en cada semiciclo conducen dos diodos en diagonal, y la corriente atraviesa $R_L$ siempre en el mismo sentido. Con diodos reales se pierden $2V_\gamma$, porque hay dos diodos en el camino.
• Valor medio $= \dfrac{2U_m}{\pi} \approx 0{,}637\,U_m$ (el doble que en media onda). Eficaz $= \dfrac{U_m}{\sqrt 2}$ (como la senoidal completa).

Regulador zéner

Fuente $u_E$ → resistencia $R_S$ → zéner $D_z$ en paralelo con la carga $R_L$ (variable). La salida es $u_S$.

Condición para que el zéner regule (demostración):

Sin el zéner, $R_S$ y $R_L$ forman un divisor de tensión:

El zéner está en paralelo con $R_L$, así que ve esa tensión en inversa. Entra en zona zéner (y fija $u_S = V_z$) si y solo si:

En ese caso: $i_{R_S} = \dfrac{u_E - V_z}{R_S}$, $\;i_S = \dfrac{V_z}{R_L}$ y $\;i_z = i_{R_S} - i_S$.

• Si $R_L \to 0$ (cortocircuito en la salida): $\dfrac{R_L}{R_S+R_L} \to 0$, así que no se cumple la condición. El zéner deja de regular y $u_S \to 0$. Toda la corriente $u_E/R_S$ va por el corto; $R_S$ protege la fuente.
• Si $R_L \to \infty$ (sin carga): $\dfrac{R_L}{R_S+R_L} \to 1$ y la condición queda $u_E > V_z$. El zéner regula y toda la corriente $\dfrac{u_E - V_z}{R_S}$ pasa por él. Es el peor caso para el zéner: hay que comprobar que $V_z \cdot i_z$ no supera su potencia máxima.