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EL DIODO EN EQUILIBRIO
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EL DIODO BAJO TENSIÓN (POLARIZADO)
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Curva Característica del diodo
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La recta de carga
8
La Inyección de Portadores
10
Capacidad Asociada a un Diodo
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Aplicaciones Derivadas de Propiedades Capacitivas
12
Otras Aplicaciones de los Diodos
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LÓGICA CON DIODOS (DL)
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LA UNIÓN p-n . DIODO DE JUNTURA
Se llama unión p–n a la unión de dos semiconductores extrínsecos, uno de cada tipo. Este
dispositivo presenta propiedades eléctricas muy particulares de gran importancia tecnológica.El
dispositivo semiconductor más básico, basado en las propiedades de la unión p–n es el diodo de
juntura.
Para obtener una unión p–n se parte de un mono cristal intrínseco al que por dopaje, se
transforma, por ejemplo, en n. Luego, sobre una zona de este material extrínseco, se "sobredopa"
con impurezas aceptoras (un elemento del grupo III), de tal forma de invertir el signo de los
portadores de esa región. Posteriormente se depositan capas conductoras, que permitan la
vinculación eléctrica de ambas zonas con el exterior y se provoca la oxidación del resto de la
superficie del cristal, para crear una aislación. El dibujo esquematiza el resultado de un proceso de
este tipo, indicándose también el símbolo eléctrico de este componente:
p
+
ánodo
n
_
cátodo
EL DIODO EN EQUILIBRIO
La región de unión, aunque ocupa una pequeña porción del cristal gobierna las propiedades
eléctricas de éste. Para estudiar estas propiedades, cosa que haremos desde un punto de vista
cualitativo, imaginaremos un proceso distinto del realmente utilizado para crear la juntura, pero
perfectamente válido a los fines didácticos. Supondremos que obtenemos la unión, simplemente
poniendo en contacto un cristal n y uno p. Usando la representación gráfica del SC extrínseco que
presentamos en el capítulo anterior:
p
n
B.C.
B.V.
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La diferencia de concentraciones de huecos y electrones a ambos lados de la unión, actuará como
fuerza impulsora de un proceso de difusión de electrones hacia el SC p y de huecos hacia el n.
Pero lo que difunde son partículas cargadas que se mueven a través de un material originalmente
neutro, es decir hay una redistribución de cargas. El resultado será la formación de un campo
eléctrico, con su potencial alto en la zona que ha cedido electrones y aceptado huecos. Se
comprende que:
1) La intensidad de este campo eléctrico aumenta con el avance de la difusión.
2) El campo formado se opone al progreso de la difusión.
Esta conduce forzosamente a una situación en la que ambas tendencias se equilibran y el
transporte neto de cargas se hace nulo. Remarcamos “neto” porque se comprende que ambos
procesos seguirán ocurriendo, igualándose sus velocidades. Es lo que llamamos “equilibrio
dinámico”.
Esta situación es la que intenta representarse en el dibujo de abajo. Allí se señala una zona a
ambos lados alrededor de la unión, que aparece cargada. Se la conoce como zona de
agotamiento, haciendo referencia a que huecos y electrones se recombinan, no quedando
portadores disponibles. También se la llama zona de carga espacial, ya que allí aparece un dipolo
electrostático, por el proceso que hemos visto.
En resumen, de la unión de dos cristales eléctricamente neutros, resulta un nuevo cristal, por
supuesto globalmente neutro, pero con cargas redistribuidas de tal manera, que dentro de él se ha
generado un campo eléctrico y, por consiguiente, una diferencia de potencial. Esta diferencia de
potencial es característica del tipo de cristal y vale aproximadamente 0,7 V para el silicio y 0,3 V
para el Germanio.
Lo anterior no significa que un diodo pueda tener un comportamiento similar a una pila, en el
sentido de que si cerramos el circuito por fuera, vaya a circular una corriente eléctrica. En ese caso
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se formarán otras barreras de potencial, en la unión con el circuito externo, que compensarán la
interna. Por la misma razón, un voltímetro, conectado entre los terminales de un diodo, no
registrará ninguna diferencia de potencial.
Veamos la situación en cada zona; de izquierda a derecha encontramos:
1. Un SC p, eléctricamente neutro, con sus portadores mayoritarios (huecos) disponibles para
transportar corriente.
2. La región izquierda de la zona de agotamiento, con carga neta negativa, cuyo origen se
puede ver en que los átomos de impureza aceptora, han capturado electrones en los
huecos, rompiéndose el anterior equilibrio electrostático. Aquí no hay portadores
disponibles, por lo que puede estimarse que la resistencia será muy alta.
3. La región derecha de la zona de agotamiento, con carga neta positiva y donde se pueden
hacer consideraciones simétricas a las anteriores.
4. Un SC n, eléctricamente neutro, etc.
EL DIODO BAJO TENSIÓN (POLARIZADO)
¿Qué pasará si conectamos una diferencia de potencial externa a los contactos del diodo?
Depende de la polaridad: Como vimos, podemos considerar a las zonas neutras como buenos
conductores (hay portadores), entonces toda la caída de potencial se producirá entre los límites de
la zona de agotamiento.
1] Si conectamos el extremo p al potencial negativo y el n al positivo: Como los huecos son
atraídos por el electrodo negativo y los electrones por el positivo, ambos tipos de portadores, se
agotan, ya que la zona de agotamiento no puede reponerlos y el resultado es que aumenta el
ancho de la región sin portadores, aumenta la resistencia y no hay conducción.
2] Si conectamos, en cambio, el extremo p al positivo y el n al negativo: Ahora ambos tipos de
portadores son empujados hacia la zona de agotamiento, donde se recombinarán. En el cátodo (-)
el conductor metálico aporta los electrones necesarios para continuar el proceso y en el ánodo (+)
los electrones son "extraídos" generando huecos, que se dirigen hacia el centro. La zona de
agotamiento disminuye así su ancho, con la consiguiente disminución de la resistencia.
Entonces:
Si se conecta el ánodo de un diodo al borne positivo y el cátodo al negativo, el dispositivo
se comporta como un buen conductor. Se dice que está polarizado en directo. En el caso
contrario, conocido como polarización inversa, el diodo no conduce y se comporta como un
interruptor abierto.
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Curva Característica del Diodo
Por la descripción hecha hasta aquí, podemos suponer que un diodo se comportará como un
conductor óhmico (de muy baja resistencia) común cuando está polarizado en directo y como un
interruptor abierto en el caso opuesto. Eso nos daría una curva característica como alguna de las
siguientes, según podamos, o no, despreciar la resistencia:
Esto vale como primera aproximación, pero si analizamos más "fino", encontramos que la
dependencia de la corriente con la tensión es del tipo exponencial más que lineal. Haciendo
algunas suposiciones simplificadoras, puede deducirse, para la intensidad de corriente que
atraviesa la unión, la siguiente expresión:
e
V
I
I0{exp(
)
1}
k
T
ecuación de Shockley
Donde:
I0 es la llamada corriente de saturación inversa, asociada al flujo de portadores minoritarios
e es el valor absoluto de la carga del electrón
k es una constante (constante de Boltzman)
T es la temperatura absoluta
También podemos visualizar lo que sucede considerando que al polarizar en directo, estamos
oponiendo el potencial externo al creado en la juntura y mientras no anulemos a éste, existirá una
barrera de potencial que impedirá el movimiento de los portadores. Quiere decir que nuestro 0 de
potencial estará desplazado hacia la derecha 0,7V en los SC de Si y 0,3V en los de Ge.
Pero además, si recordamos que existen los que llamamos portadores minoritarios, tendremos que
admitir que, aunque sea poco, algo de conducción debe haber en polarización inversa, tal como lo
reflejan la ecuación de arriba y su representación gráfica.
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Que reproduce bastante ajustadamente la curva característica del diodo para valores de V no
demasiado grandes en el sentido negativo.
Para pequeños valores de V no hay conducción significativa, y a partir de un cierto valor umbral o
de corte la corriente aumenta rápidamente, hasta que se establece una relación casi lineal. A
mayor diferencia de potencial aplicada, la resistencia aparente es menor. Entonces nuestra rama
derecha de la curva característica no será una recta, aunque se aproxime a ella para valores
crecientes de la tensión.
Por último, para este análisis, debemos considerar qué pasa si aplicamos diferencias de potencial
más y más elevadas en ambas polarizaciones. En polarización directa, lo que sucede es más o
menos lo mismo que en un conductor óhmico. Esto es, el calor disipado terminará, finalmente, por
destruir el material. En la otra dirección pasan cosas nuevas... y tecnológicamente interesantes.
En efecto, superado un cierto valor de la tensión inversa, el semiconductor comienza a conducir, a
través de dos mecanismos distintos y la corriente aumenta bruscamente, pudiendo destruirse
rápidamente el dispositivo. En resumen, la curva característica "ajustada" nos quedará como sigue:
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Pero si miramos esta curva desde más lejos, el aspecto que tomará será:
Las distintas curvas que hemos considerado incumben a
distintos grados de aproximación en el análisis del
comportamiento del diodo. La última, que está junto a
estas líneas, corresponde a una aproximación muy útil en
el análisis de circuitos con diodos. En esta aproximación se
supone que si el diodo está conduciendo, entonces, entre
sus extremos se encuentra una tensión igual a la tensión
umbral (por ejemplo, 0,7 V en el caso del silicio). De esta
manera se salva el inconveniente de no tener un valor de
resistencia asociado al diodo y se puede resolver el circuito
muy satisfactoriamente, aunque de forma aproximada.
Es importante no perder de vista que el comportamiento del diodo es fundamentalmente
asimétrico y esto se refleja en cualquiera de las curvas que hemos considerado.
La curva característica es un dato que provee el fabricante del diodo y se encuentra en la hoja
técnica del mismo, generalmente representada en un gráfico logarítmico, originando una traza
lineal o casi lineal.
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La Recta de Carga
Consideremos nuevamente la curva característica del diodo. En ella se ve que, por encima de la
tensión de corte, la intensidad de corriente aumenta muy rápidamente, causando, si no se la limita,
un desprendimiento de calor que destruirá el componente. Por esta razón, un diodo en un circuito,
siempre tendrá una resistencia en serie.
También podemos interpretar lo anterior, considerando al diodo como un componente cuya
resistencia disminuye al aumentar la tensión, haciéndose progresivamente incapaz de mantener
una diferencia de potencial entre sus extremos. Desde esta visión surge una aproximación muy útil
que consiste en tomar como caída de tensión de un diodo, polarizado en directo, un valor
aproximado al de su tensión de corte (0,7V para el Si y 0,3V para el Ge).
Entonces, en el siguiente circuito:
Diríamos que la caída de
tensión en la resistencia es de
11,3V (para un diodo de Si), y
la intensidad de corriente que
circula:
11
,3
V
I

11
,3
mA
1
k

Como dijimos, ésta es una aproximación suficientemente buena en la mayoría de los casos. Pero si
queremos valores más precisos deberemos acudir nuevamente a la curva característica y su
intersección con la recta de carga. En el circuito de arriba, la expresión para la intensidad de
corriente será:
V
V
VV
f
f
I
 
R RR
Donde:
Vf = tensión de la batería.
V = caída de tensión en el diodo.
R = resistencia.
La representación gráfica de esta relación será una recta de pendiente -1/R y ordenada al origen
Vf/R, como se muestra en el gráfico siguiente.
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Esta recta, conocida como recta de carga del circuito, no depende del diodo sino exclusivamente
de la fuente y la resistencia en serie. Su intersección con la curva característica del diodo,
mostrará el único par de valores de intensidad de corriente y tensión sobre el diodo compatible con
los dispositivos presentes.
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La Inyección de Portadores
Vamos a mirar con un poco más de detalle el proceso de conducción dentro del diodo polarizado
en directo. Para ello prestaremos atención a qué sucede con la concentración de portadores de
uno y otro signo a ambos lados de la unión. En las ilustraciones siguientes se reproduce en primer
término la representación que hicimos de la distribución de portadores en un diodo en equilibrio. En
el gráfico siguiente, esta situación se representa a través de la concentración de cada portador
en función de la posición dentro del diodo. Si ahora el diodo se polariza en directo, mediante la
aplicación de un campo eléctrico exterior, mayor cantidad de huecos del lado p y electrones del
lado n, tendrán la energía necesaria para atravesar la unión.
Esto origina una inyección de portadores minoritarios a ambos lados de la zona de agotamiento,
alterándose el equilibrio anterior, en el sentido de que aumentan considerablemente las
concentraciones de estos portadores en las cercanías de la zona de agotamiento. Esto es lo
que se muestra en el tercer gráfico. Es de notar que mientras la tensión aplicada sea pequeña, la
inyección de minoritarios también lo será y no se producirá alteración significativa en la
concentración de los portadores mayoritarios.
A medida que los portadores inyectados se desplazan hacia el electrodo de salida, van
encontrando portadores mayoritarios, produciéndose recombinación y disminuyendo su
concentración, hasta alcanzar la que corresponde al equilibrio.
En el último dibujo se trata de representar la situación dentro de un diodo, cuando está aplicado
un campo eléctrico. Del lado del semiconductor n, conectado al potencial más bajo, el circuito
externo aporta electrones, los que, una vez que ingresan al SC como portadores mayoritarios, se
desplazan en dirección a la zona de unión. A partir de determinado punto de su trayectoria,
comienzan a coexistir con huecos que han sido inyectados según se describió y vienen
desplazándose en dirección contraria. Éstos son portadores minoritarios, pero su concentración es
superior a la que corresponde al equilibrio sin campo, aunque irá disminuyendo a medida que nos
alejemos de la unión por acción del proceso de recombinación. Entonces, a medida que se avanza
hacia la izquierda del dibujo, se encuentran más huecos y menos electrones y consideraciones
simétricas pueden hacerse del lado p. En el ánodo la extracción de electrones al circuito externo
genera continuamente huecos que se dirigen hacia el cátodo, disminuyendo su concentración a
medida que se desplazan hacia la derecha. El resultado es que la corriente total transportada, que
es la misma a lo largo del semiconductor, tiene componentes distintos según la posición.
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n
p
p o la r iz a r
B .C .
s in
B .V .
p
c o n c e n t r a c ió n
d e p o rta d o re s
p 0
n
p o la r iz a c ió n
d ir e c ta
n
n 0
p
n 0
p 0
x
p
p 0
n
n
la r e c o m b i n a c i ó n
m a n ti e n e e l e q u ili b r i o
n 0
p
n 0
p 0
c o r r i e n te tr a n s p o r ta d a
p o r e l e c tr o n e s m in o r ita r i o s
c o r r i e n te tr a n s p o rt a d a
p o r e l e c tr o n e s m a y o r ita r i o s
+
_
c o r r i e n te tr a n s p o rt a d a
p o r h u e c o s m i n o r i ta r i o s
c o r r i e n te tr a n s p o r t a d a
p o r h u e c o s m a y o r it a ri o s
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Capacidad Asociada a un Diodo
Lo que nos interesa apreciar a través de esta descripción cualitativa es la diferencia con la
situación en equilibrio. Aquí, lo que antes eran regiones neutras, poseen ahora cierta carga neta,
originada en el exceso de portadores minoritarios "inyectados" por el campo eléctrico. Entonces
tenemos una carga "difusa" del mismo signo que la que está más localizada en la región de
agotamiento y, en conjunto tenemos cargas iguales, de distinto signo, separadas entre sí una
pequeña distancia. Esta es la descripción de un capacitor y, efectivamente, podemos decir que
hay una cierta capacidad eléctrica asociada a un diodo.
El siguiente esquema ilustra lo que se quiere decir:
Aplicaciones Derivadas de Propiedades Capacitivas
Por un lado es posible construir dispositivos de capacidad variable, regulada por el voltaje aplicado.
Tienen aplicación en numerosos circuitos electrónicos y se los conoce como Varicap o Varactores.
Además esta propiedad se aprovecha para integrar "micro condensadores" en chip. En este tipo de
aplicaciones el diodo se polariza en inversa, con objeto de que la corriente a través de él sea muy
baja, con lo que se obtienen características muy próximas a las de un capacitor ideal. Aunque la
capacidad que se puede conseguir no sea muy elevada, el área ocupada es pequeñísima, lo que
ya constituye una gran ventaja en integrados.
La cuestión de las cargas difusas de minoritarios, que mostramos más arriba, en relación a su
capacidad, nos permite también analizar una característica de los diodos muy importante para su
uso en circuitos digitales. En éstos, los diodos trabajan en los dos estados de polarización a un
voltaje fijo en cada uno de ellos: polarización directa (estado "on") y polarización inversa (estado
"off"). El tiempo necesario para pasar de uno a otro es, obviamente una variable de la mayor
importancia, que tiene que ver con la velocidad de operación del circuito. Este tiempo, conocido
como tiempo de conmutación está condicionado por estos portadores difusos que tienen que
"absorberse" dentro de la zona de agotamiento, al pasar del "on" al "off" o "desplegarse" en el
caso inverso, pues mientras dura este estado transitorio, el diodo no está ni en un estado ni en
otro.
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Otras Aplicaciones de los Diodos
La aplicación más inmediata de los diodos, se basa en las características de la curva I-V. En
efecto, el hecho de que permita el paso de la corriente sólo cuando está polarizado en directo, abre
la inmediata posibilidad de transformar una corriente oscilante, como la alterna, en una que circule
siempre en la misma dirección. En la figura se representa el circuito rectificador más simple,
conocido como rectificador de media onda y las señales de entrada y salida del mismo.
t
V1
VO
t
V1
El valor de RL debe ser mucho mayor que el
de la resistencia dinámica del diodo en
polarización directa y mucho menor, lógicamente, que en inversa. De esta manera la caída de
tensión entre los extremos de la resistencia sigue la variación indicada en la curva, en la que se ha
considerado despreciable la caída de tensión sobre el diodo polarizado en directa. También puede
obtenerse un circuito rectificador de onda completa, mediante una disposición de cuatro diodos.
Estudiaremos esto con más de detalle en el laboratorio.
Los circuitos rectificadores son una aplicación especial del caso más general de los circuitos
limitadores o recortadores de onda. En efecto, mediante la combinación de diodos con baterías
puede recortarse la onda por los valores de tensión que se quiera. Se muestran a continuación dos
ejemplos bastante comunes.
R
L
V -V
r
V1
D V
O
VO
c
t
Vr
13
R
L
D
1
D
2
V
1
V
r1
V
r1
V
r2
V
O
D1
No Conduce
No Conduce
Conduce
N
O
V
O
P
t
V
1
V
r2
Tramo
MN
NO
OP
M
D2
Conduce
No Conduce
No conduce
Otra aplicación muy común de los diodos se basa en lo que sucede en la zona de ruptura de la
curva característica. Así utilizando diodos especialmente diseñados, que pueden trabajar sin
destruirse en esa región (DIODOS ZENER), es posible construir circuitos limitadores de tensión, de
aplicación en fuentes de alimentación de voltaje.
Otras aplicaciones tienen que ver con los fenómenos que se producen cuando interactúan átomos
de material semiconductor con radiación electromagnética. Son los llamados dispositivos opto
electrónicos. Podemos mencionar los siguientes ejemplos:
Diodos emisores de luz (LED)
En éstos una parte de la energía que se libera en el proceso de recombinación, que ya hemos
descrito, lo hace en forma de radiación visible. Un LED polarizado en directo "se enciende".
Diodos foto detectores
Mecanismo inverso al anterior, la radiación incidente sobre el diodo, aumenta la concentración de
portadores extrínsecos y entonces la intensidad que circula por el diodo polarizado en directo.
Celdas solares
Aquí las características de diseño son tales que el diodo excitado por radiación externa, suministra
un voltaje de salida sin necesidad de polarización exterior.
Diodos laser
En ciertas condiciones los LED pueden emitir radiación coherente, monocromática y confinada en
un haz no divergente.
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LÓGICA CON DIODOS (DL)
Veamos cómo la lógica de diodos (DL) nos permite implementar puertas lógicas.
Primero analicemos cómo un diodo puede trabajar como un interruptor comandado por el circuito.
Es evidente que en el circuito mostrado sobre estas líneas, Vo, que será la señal de salida, es igual
a cero pues, al estar el diodo polarizado en directo, actúa como un interruptor cerrado, y no puede
existir diferencia de potencial entre los puntos considerados (despreciando la tensión umbral).
Pero si agregamos una nueva fuente VA , que será nuestra señal de entrada, --como se indica a
continuación--, la situación cambia pues el diodo pasará a estar polarizado en inversa,
comportándose como un interruptor abierto y provocando que toda la caída de potencial se
produzca a lo largo de la resistencia. Vo tomará, en este caso, el valor 5v.
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Este
tipo
de
circuitos
suele
representarse de una forma mucho
más esquemática, sin hacer explícitos
detalles
de
conexión
que
se
sobrentienden. Por ejemplo:
A la luz de lo que se explicaba arriba, puede interpretarse este esquema considerando que la
presencia de una señal de entrada VA, ocasionará la aparición de una señal de salida V o = 5v.
Similarmente puede entenderse que sólo la presencia simultánea de señales V A, VB y VC, dará
como resultado una señal de salida Vo, en la puerta AND representada abajo.
En el caso de la puerta OR la señal de entrada se aplica directamente al lado p de los diodos y la
salida es el potencial del lado n de los mismos.
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Como se ve la se trata de una lógica extremadamente sencilla y los primeros operadores lógicos
de semiconductores se implementaron con diodos. Pero dos importantes limitaciones impiden su
uso intensivo.
Por un lado, si se conectan varias puertas de diodos en “cascada”, hay un desplazamiento de los
niveles lógicos a causa de las caídas de tensión producidas en los diodos que conducen,(la suma
de varias tensiones umbrales ya no puede ser despreciada).
La otra desventaja, fundamental, es que no se puede implementar la función NOT. Ambas
limitaciones se superan, como veremos, mediante el uso de transistores.
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