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Todos los dispositivos fabricados con semiconductores implican una o varias uniones PN. Algunos de los dispositivos que emplean semiconductores son rectificadores diodos, diodos emisores de luz y transistores. En este artículo se hará hincapié en el diodo semiconductor, que hace parte de los dispositivos más simples. Haciendo un poco de historia, el principio de operación de los diodos térmicos fue descubierto por el físico y químico británico Frederick Guthrie (1833-1886) quien se percató en 1873 que, al acercar un electroscopio con carga positiva a un metal con altas temperaturas, sin que el electroscopio tocara el metal, se podía descargar el electroscopio.
Sin embargo, cuando acercaba un electroscopio con carga positiva no se descargaba, notando que la corriente fluía en una sola dirección. En 1874 el científico alemán Karl Ferdinand Braun (1850- 1918) advirtió de una característica muy importante de los semiconductores que es la conducción en una sola dirección y en 1889 patentó el rectificador de cristal.
Un poco más adelante, en 1880, Thomas Edisson (1847- 1931) científico empresario estadounidense defensor de la corriente directa y uno de los antagonistas de la denominada “Guerra de las corrientes”, corroboró lo descubierto por Frederick Guthrie, pero a partir de otro experimento que utilizaba una bombilla, con el que confirmó que existía un flujo de corriente desde un filamento incandescente a una lámina metálica que estaban dentro de la bombilla, pero este flujo de corriente únicamente era posible cuando la lámina metálica tenía carga positiva.
Más tarde, en 1904, el científico británico John Ambrose Fleming (1849-1945) inventó el primer diodo termoiónico, y así fueron evolucionando los diodos hasta los que actualmente se emplean, convirtiéndose en el componente fundamental en muchas aplicaciones electrónicas hoy día.
La unión PN
Tal como se dijo antes, todos los dispositivos semiconductores están compuestos por una o más uniones P-N. Se va a describir la unión PN considerando hipotéticamente un plano a través de una barra del material silicio. Retomando lo estudiado en el tema anterior, se dice que el Silicio es un semiconductor puro, en un lado del plano el material es un material tipo N, pues contiene impurezas con estructura pentavalente (átomos donadores) y en este lado del material hay abundancia de electrones.
En el otro lado del plano hipotético, el material es un material tipo P, ya que contiene impurezas de estructura trivalente (átomos aceptores) y existe abundancia de huecos. Entonces, esta es la denominada unión PN. En la unión PN, los electrones que se difunden en la banda de conducción (BC) se combinan con los huecos en la banda de valencia (BV) que están del otro lado del plano de la unión PN. Por otro lado, los huecos en la región p se combinan con los electrones en la región N. [1].
Ocurre que, en esta recombinación, una porción del plano hipotético que atraviesa el material semiconductor toma carga positiva y la otra toma carga negativa existiendo así, en la unión PN, una diferencia de potencial y un campo eléctrico ejerce una fuerza de los electrones opuesta al movimiento de los mismos, de manera que para que los electrones y los huecos puedan difundirse de un lado a otro deben ser bien energéticos. La denominada corriente de difusión es producto del movimiento o (difusión) de los huecos y de los electrones. Como es sabido de temas anteriores, en un material tipo N los portadores mayoritarios son los electrones, pero también existen huecos en menor cantidad.
Funcionamiento del diodo
Para que se produzca corriente eléctrica dentro de una unión PN, es necesario polarizar la unión, es decir, proporcionarle energía mediante una fuente de tensión. Existen dos formas de polarizar una unión PN, polarización directa y polarización inversa. Se polariza inversamente a una unión PN cuando se le aplica el borne negativo de la fuente a la zona P y el borne positivo a la zona N. De este modo, los electrones que quedaban libres en la zona N se ven atraídos por el borne positivo de la fuente. Así, la zona de deplexión libre de cargas aumentará; al aumentar esa zona de deplexión aumenta la zona libre de cargas. Por lo tanto, hay menos posibilidad de que se produzca corriente eléctrica. Así cuando se está polarizando inversamente una unión PN lo que ocurre es que no se produce conducción.
Cuando se polariza inversamente la unión, aumenta el campo eléctrico en la región de transición. Este aumento no va acompañado de un aumento de la corriente en el sentido de N a P. Esto debido a que no hay portadores a los que arrastrar (no hay huecos en N para ser arrastrados a P, ni electrones en P para ser arrastrados a N). En consecuencia, el campo eléctrico se limita a impedir la difusión de mayoritarios (huecos de P a N y electrones de N a P) y la corriente sigue siendo nula como en equilibrio.
De ahí el efecto rectificador de la unión PN. [2]. ¿Qué ocurre si se polariza de manera directa? Al polarizar de manera Directa lo que se hace es aplicar el borne positivo de la fuente al semiconductor tipo P; además de en borne negativo al semiconductor tipo N.
El diodo
Como se mencionó en la introducción, desde el punto de vista de la forma de operación del diodo, este es el dispositivo semiconductor más simple y fundamental. Constituye un componente básico en muchas aplicaciones en circuitos electrónicos. El diodo está formado de una unión PN, con dos terminales, ánodo y cátodo. Estas terminales posibilitan su conexión a un circuito. El diodo es un dispositivo semiconductor.
Es importante destacar que el comportamiento de un diodo es un comportamiento “no lineal”. Esto es, permite el paso de la corriente en un sentido y no en el otro, lo bloquea. Es por ello que en los circuitos en los cuales el diodo es uno de sus componentes no se pueden aplicar los métodos de análisis. Mismos que se usan para circuitos lineales estudiados en circuitos eléctricos como, por ejemplo, el método de superposición y los teoremas de Thevenin y Norton; en tanto, los circuitos que contienen diodos son circuitos no lineales.
El diodo ideal
El comportamiento de los diodos es aproximado por el denominado “modelo ideal del diodo”, el cual tiene una característica corriente-tensión. Cuando el diodo conduce, la corriente circula en el sentido ánodo- cátodo, sin caída de tensión entre ambos terminales. Se dice que está polarizado en directa. Cuando esto ocurre equivale a un cortocircuito. Cuando el ánodo es negativo respecto al cátodo, o sea, cuando el diodo está polarizado a la inversa, el diodo bloquea la corriente y equivale a un circuito abierto.
La tensión del generador Vg tiene una forma de onda triangular (corriente alterna). En los intervalos de señal en los que Vg es positiva, esta tensión impulsa una corriente a través del diodo, la cual va de ánodo a cátodo, el diodo está polarizado en directa, el diodo se comporta como un cortocircuito y ocurre que V0 = Vg.
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