ASÍ FUNCIONAN LOS DIODOS

Texto e ilustraciones José Antonio E. García Álvarez



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Contenido:

Estructura de un elemento semiconductor.
Formación de un diodo de silicio de unión 
   "p-n".
Polarización del diodo.
Diodos de punta de contacto o "de señal".
> Mecanismo de funcionamiento del diodo
   de silicio (Si).
 
Características de los diodos.
Encapsulados diferentes de los diodos.
Rectificación de la corriente alterna (C.A.) 
   empleando semiconductores diodos.
Rectificador con filtro a la salida de la 
   corriente directa.



MECANISMO DE FUNCIONAMIENTO DEL DIODO DE SILICIO (Si)


Como ya se explicó anteriormente, en el punto de juntura o unión “p-n” de un semiconductor diodo de silicio se forma una “barrera de potencial” en la que los huecos de la parte positiva, por un lado, y los electrones de la parte negativa, por el otro, alcanzan un punto de equilibrio, creándose alrededor de dicha unión una “zona de deplexión” (conocida también como “zona de carga espacial”, “zona de agotamiento” o “zona de vaciado”), que impide que la corriente eléctrica fluya a través del diodo así formado.

Cuando un diodo no se encuentra energizado, en el punto de unión o juntura “p-n” los huecos y los electrones se encuentran en estado de equilibrio. Por consiguiente, en ese punto los denominados “niveles de fermi” se emparejan o igualan a ambos lados de la unión.

¿QUÉ ES EL NIVEL DE FERMI?

El “nivel de fermi” es un término empleado para describir la mayor concentración de niveles de energía que, teóricamente, pueden alcanzar los electrones a una temperatura, también teórica, de 0º K (cero grado Kelvin o “cero absoluto”). A dicha temperatura se supone que cesa completamente todo el movimiento electrónico en los átomos que componen las moléculas de un cuerpo cualquiera.

En un semiconductor diodo sin energizar, el “nivel de fermi” se opone a que los electrones libres que se encuentran presentes en la parte negativa (N) puedan atravesar la barrera de potencial formada en el punto de unión “p-n”, lo que les impide saltar a la parte positiva (P) hasta tanto no reciban la suficiente carga energética que normalmente procede de una fuente de fuerza electromotriz externa, como una batería, por ejemplo. Una vez que los electrones reciban la energía necesaria podrán superar el “nivel de fermi” y atravesar la barrera de potencial para unirse a los huecos existentes en la parte positiva (P) del diodo.

Un símil entre lo que ocurre con un semiconductor diodo sin energizar y el nivel de fermi sería algo así como tener sumergido en un mar cubierto de hielo un cuerpo cualquiera carente de la suficiente energía como para poder ascender, romper la capa de hielo y salir a la superficie.

El nivel de fermi recibe ese nombre en honor al destacado físico italiano Enrico Fermi (Roma, Italia, 1901 – Chicago, EE.UU., 1954).

 


Cuando la unión positiva-negativa “p-n” de un semiconductor diodo se encuentra en equilibrio por no encontrarse energizado, los “niveles de fermi” se igualan o emparejan a ambos lados de la unión. Bajo esas condiciones los electrones y los huecos alcanzan un equilibrio próximo a ese punto y a su alrededor se crea una zona de deplexión.

Para que se pueda establecer un flujo electrónico a través del diodo, será necesario suministrarles energía a los electrones que se encuentran debajo de la línea del “nivel de fermi” para que se puedan mover hacia arriba y pasar a la “banda de conducción” y unirse a los huecos.


POLARIZACIÓN DIRECTA DEL DIODO


Cuando un semiconductor diodo lo polarizamos de forma directa conectándole una fuente de fuerza electromotriz o suministro eléctrico (como una batería, por ejemplo), su lado “P” se vuelve más positivo, lo que ocasiona que se cree una diferencia en altura del “nivel de fermi” en la parte negativa del diodo. Esto facilita que los electrones libres en esa parte alcancen la “banda de conducción” y puedan atravesar la unión o juntura “p-n” pasando a llenar los “huecos” presentes al otro lado de la unión. De esa forma los electrones alcanzarán la banda de conducción, atravesarán la unión “p-n” y saltarán de un hueco a otro en la parte positiva (P) hasta concluir finalmente su recorrido en el polo positivo de la fuente de suministro eléctrico. La situación que se produce se puede interpretar como: electrones moviéndose en un sentido y huecos moviéndose en sentido opuesto.



En la ilustración se puede apreciar que la dirección de conducción de los electrones se establece desde la parte derecha o negativa del diodo hacia su parte izquierda o positiva. El movimiento que se observa hacia arriba de los electrones para alcanzar la “banda de conducción”, viene dado por el incremento de energía que les suministra la batería o fuente de energía electromotriz conectada al diodo.

Por tanto, en un diodo polarizado de forma directa, los electrones de la parte negativa (N) que han sido elevados a la banda de conducción, así como los que se han difundido a través de la unión “p-n”, poseen más energía que los huecos presentes en la parte positiva (P). De esa forma los electrones se combinan sin esfuerzo con esos huecos, estableciéndose un flujo de corriente electrónica a través de la unión “p-n”, en dirección al polo positivo de la batería.


Movimiento de los electrones que se establece en un. sentido y de los huecos en el sentido opuesto en un diodo. semiconductor polarizado de forma directa. La parte. señalada como (A) corresponde al ánodo positivo (+) y la. parte (B) al cátodo negativo (–). Como se  puede  apreciar,. el flujo de los electrones se  mueve  del  polo  negativo  al. polo positivo de la batería (pila) conectada al circuito.

 

POLARIZACIÓN INVERSA DEL DIODO

Cuando el semiconductor diodo se polariza de forma inversa, el lado positivo “P” de la unión “p-n” se vuelve negativo (debido a estar conectado al polo negativo de la batería). En esas condiciones el “nivel de fermi” correspondiente a esa parte positiva crece en altura, impidiendo así que los electrones se puedan mover a través del cristal semiconductor. En la ilustración se pueden observar unas flechas indicando la dirección correspondiente al flujo electrónico tratando de acceder al diodo por su parte positiva sin lograrlo, pues al estar polarizado de forma inversa la “zona de deplexión” se amplía. Además, como se puede ver también, la diferencia de altura del “nivel de fermi” en la parte positiva “P” del diodo aumenta, mientras que en la parte negativa “N” disminuye. Por tanto, bajo esas circunstancias los electrones presentes en la parte negativa carecerán de la suficiente energía para poder atravesar la unión “p-n”.



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  Última actualización: abril de 2012