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UNIDAD TEMÁTICA 1: SEMICONDUCTORES Y DIODOS
1. Conductores, dieléctricos y semiconductores.
Se dice que un cuerpo es conductor eléctrico cuando puesto en contacto con un cuerpo cargado
de electricidad transmite ésta a todos los puntos de su superficie. Son conductores eléctricos
aquellos materiales que tienen electrones de valencia relativamente libres. Los elementos
capaces de conducir la electricidad cuando son sometidos a una diferencia de potencial eléctrico
más comunes son los metales, siendo el cobre el más usado, otro metal utilizado es el aluminio y
en aplicaciones especiales se usa el oro.
Tipo de Conductor
Solidos
Líquidos
Gaseosos
Ejemplo
Metales
Características
Buenos conductores eléctricos y
térmicos.
Tienen
valencias
positivas, tienden a formar
óxidos básicos.
El agua, con sales como Las sales actúan como agentes
cloruros,
sulfuros
y reductores, es decir, donantes de
carbonatos
electrones
Nitrógeno, neón
Tienen valencias negativas, es
decir,
tienden
a adquirir
electrones
Un semiconductor o dieléctrico es una sustancia que se comporta como conductor o como
aislante dependiendo del campo eléctrico en el que se encuentre, capaz de conducir la electricidad
mejor que un aislante, pero peor que un metal. El elemento semiconductor más usado es el silicio.
De un tiempo a esta parte se ha comenzado a emplear también el azufre. La característica común
a todos ellos es que son tetravalentes.
Los materiales aislantes deben tener una resistencia muy elevada, requisito del que pueden
deducirse las demás características necesarias. La mayoría de los no metales son apropiados para
esto pues tienen resistividades muy grandes. Esto se debe a la ausencia de electrones libres.
2. Conducción en un semiconductor
Cuando a un elemento semiconductor le aplicamos una diferencia de potencial o corriente
eléctrica, se producen dos flujos contrapuestos: uno producido por el movimiento de electrones
libres que saltan a la “banda de conducción” y otro por el movimiento de los huecos que quedan
en la “banda de valencia” cuando los electrones saltan a la banda de conducción.
Si analizamos el movimiento que se produce dentro de la estructura cristalina del elemento
semiconductor, notaremos que mientras los electrones se mueven en una dirección, los huecos o
agujeros se mueven en sentido inverso. Por tanto, el mecanismo de conducción de un elemento
semiconductor consiste en mover cargas negativas (electrones) en un sentido y cargas positivas
(huecos o agujeros) en sentido opuesto.
3. Semiconductores intrínsecos y extrínsecos.

Intrínsecos:
Se dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no
contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. En ese caso, la
cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda
prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de
conducción.
Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco,
algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de
valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. Esos
electrones libres saltan a la banda de conducción y allí funcionan como “electrones de
conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un átomo a otro dentro de la propia estructura
cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de una corriente
eléctrica.

Extrínsecos:
Cuando a la estructura molecular cristalina del silicio o del germanio se le introduce cierta
alteración, esos elementos semiconductores permiten el paso de la corriente eléctrica por su
cuerpo en una sola dirección. Para hacer esto posible, la estructura molecular del semiconductor
se dopa mezclando los átomos de silicio o de germanio con pequeñas cantidades de átomos de
otros elementos o "impurezas".
Generalmente los átomos de las “impurezas” corresponden también a elementos
semiconductores que, en lugar de cuatro, poseen tres electrones en su última órbita [como el
galio (Ga) o el indio (In)], o que poseen cinco electrones también en su última órbita [como el
antimonio (Sb) o el arsénico (As)].
En la actualidad el elemento más utilizado para fabricar semiconductores para el uso de la
industria electrónica es el cristal de silicio (Si) por ser un componente relativamente barato de
obtener.
4. La unión P-N
Se denomina unión PN a la estructura fundamental de los componentes electrónicos comúnmente
denominados semiconductores, principalmente diodos y transistores
Barrera interna de potencial.
Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p. Al establecerse
estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe
diferentes denominaciones como barrera interna de potencial, zona de carga espacial, de
agotamiento o empobrecimiento, de deplexión, de vaciado
Átomo pentavalente con un
electrón en su orbital de
conducción
Átomo trivalente con un
hueco en su orbital de
valencia.
Ion positivo
Ion negativo
Polarización directa de la unión P - N
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.
Se produce cuando se conecta el terminal positivo de la pila a la parte P de la unión P - N y la
negativa a la N. En estas condiciones podemos observar que:




El terminal negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos
electrones se dirigen hacia la unión p-n.
El terminal positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es
equivalente a decir que empuja 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 la terminal positiva 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.
Es asumir el comportamiento de un diodo como un interruptor cerrado.
Ejemplo.-
La vertical es equivalente a una fuente de 0,7V.
Un diodo de silicio está en serie con una resistencia de 2kΩ y con una fuente de tensión de 10 V.
¿Cuál será, aproximadamente, la intensidad en el circuito si el diodo tiene polarización directa?
a) Hallar I
b) Si la caída medida en el diodo es de 0,6 V con 1 mA, hallar con más exactitud de valor de la
corriente en el circuito.
c) Si se invierte la batería y la tensión de ruptura del diodo es de 7 V, hállese la corriente en
el circuito.
d) Si se añade en serie y oposición (los dos ánodos unidos) un segundo diodo idéntico al
anterior, ¿cuál será aproximadamente la corriente en el circuito?
e) Si se reduce a 4V la tensión de alimentación del apartado d), ¿Cuál será la corriente?
a) ¿I? Diodo de silicio
𝐼=
𝑉ℸ = 0.6𝑣
𝑉𝐷 = 0.7𝑣
𝑉𝑟 10 − 0.7 𝑣
=
= 4.65𝑚𝐴
𝑅
2
𝑘Ω
𝑣
b) 𝐼 = 𝐼𝑜 (𝑒 𝑛𝑉𝑇 − 1)
𝐼𝑜 =
10−3
600
= 0.75
𝑒 2∗26 − 1
Para 𝐼 = 4.65𝑚𝐴 → ¿ 𝑉𝐷 ?
𝑣
4.65 ∗ 10−3 = 9.75 ∗ 10−9 (𝑒 2∗26 − 1)
𝑉𝐷 = 679.9𝑚𝑉
𝐼´ =
10 − 0.6799
= 4.66𝑚𝐴
2
c) Se invierte 𝑉𝐵𝐴𝑇 𝑦 𝑉𝑍 = 7𝑉
d) Se añade otro diodo en serie y oposición
𝐼=
𝑉𝑅 10 − 0.7 − 7
=
= 1.15𝑚𝐴
𝑅
2
e) Se reduce 𝑉𝐵𝐴𝑇 𝑎 4𝑣
𝐷1 𝑂𝐹𝐹 ⇒ 𝐼 = 𝐼0
𝐼 = 𝐼0 = 9.75𝑛𝐴
Polarización inversa de la unión P - N
En este caso, la terminal negativo de la batería se conecta a la zona p y el terminal 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.



El terminal 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 terminal 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.
Es asumir el comportamiento de un diodo como un interruptor abierto.
Ejemplo.En el circuito de la figura, la tensión de ruptura inversa de los diodos es VZ1 = 10V y VZ2= 8V.
Hallar las intensidades I1, I2 e I3, indicando el estado de los dos diodos
Entonces tenemos que:
𝐼2 = 𝐼3 =
𝐼1 =
10
= 14.285 𝑚𝐴
400 + 300
20 − 10
= 16.66 𝑚𝐴
600
5. La ecuación del diodo.
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:
𝐼 = 𝐼𝑠 (𝑒 𝑉𝐷 /(𝑛𝑉𝑇 ) − 1)
Dónde:

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 10−12 𝐴)

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:
𝑉𝑇 =
𝑘𝑇
𝑞
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).
6. Curva Característica del Diodo.
En la figura se representa esquemáticamente las curvas características de los diodos
semiconductores de Silicio y Germanio donde podemos observar el comportamiento de la
corriente y el voltaje cuando está polarizado directa o inversamente.
Resumen
1. En polarización directa solamente son necesarias unas pocas centésimas de voltaje para originar
aumentos de corriente considerables
2. En polarización inversa corrientes muy significantes se originan por cambios grandes del voltaje
hasta el punto en el cual se alcanza el valor del voltaje de ruptura.
3. Tan pronto se sobrepasa el voltaje de ruptura, la corriente se incrementa considerablemente en
polarización inversa hasta alcanzar el punto cíe máxima disipación de potencia la cual es
destructiva para el diodo.
4. Ya sea en polarización directa o inversa el diodo se daña si se sobrepasa el valor de máxima
disipación de potencia
Voltaje Pico Inverso
El máximo potencial de polarización inversa que puede aplicarse antes de entrar en la región
Zéner se denomina Voltaje Pico Inverso o VPI nominal.
7. Parámetros de especificaciones de diodos.
Toda hoja de caracteristicas suele estructurarse de la siguiente forma:
-
Descripcion externa y enftizda de las caracteristicas mas interesntes del elemento. Ambas
se efectuan de una forma general y sin incorporar medidas o parametros especificos.
Adicionalmente puede darse el patillaje del elemento.
-
Valores limites: se coresponden con las caracteristicas del elemento. Normalmente, el
fabricante, agrupará las caracteristicas por grupos (termicas, dinamincas, estaticas, etc.)
indicando en todo momento las condiciones en que se han realizado las medidas par
obtener los valores dados. Los valores se suelen dar indicando los extremos maximos y
minimos admisibles, tmbien puede darse el valor típico o medio en algunos fabricantes.
-
A contnuación se presentaran las curvas caracteristicas ms apropiadas al tipo de diodo que
tratemos. Normalmente hbrá una serie de curvas que aparecerán en todas las hojas sea
cual sea el tipo de diodo y otras que solo las dara el fabricante si son necesarias para
poder trabajar con el elemento. Tmbien es posible que se adjunte la definicion de algun
parametro para comprender mejor los datos proporcionados.
-
Adicionalmente el fbricante puede proporcionar los circuitos empledos para efectuar las
medidas de una o todas las caracteristicas,ademas de la explicacion de algun parametro
importante.
Hay que resaltar el hecho de que cada fabricante puede alterar según su conveniencia el
orden de la estructura dada, anular alguna parte o añadir información adicional.
8. Efectos de la temperatura.
En un diodo semiconductor de silicio el voltaje de conducción en polarización directa es menor
conforme aumenta la temperatura; por otro lado en polarización inversa el voltaje de ruptura
disminuye si disminuye la temperatura.
9. Circuitos de modelos equivalentes del diodo
Cualquier dispositivo semiconductor tiene un circuito equivalente que
comportamiento dependiendo del voltaje y corriente aplicados.
Tipo
Condiciones
Modelo
describe
su
Características
Modelo
de
segmentos lineales
Se utilizan segmentos de líneas rectas para aproximar la curva característica
Modelo
simplificado
𝑅𝑟𝑒𝑑 ≫ 𝑟𝑎𝑣
se puede utilizar siempre que la resistencia de la red y/o de los dispositivos junto a los cuales se
conectará el diodo sea mucho mayor que la resistencia promedio del diodo rd, la cual se podría
calcular como rd, en promedio, la resistencia de un diodo de pequeña señal es de 26W. Red >> rd.
Dispositivo ideal
𝑅𝑟𝑒𝑑 ≫ 𝑟𝑎𝑣
𝐸𝑟𝑒𝑑 ≫ 𝑉𝑇
El diodo ideal es un componente discreto que permite la circulación de corriente entre sus
terminales en un determinado sentido, mientras que la bloquea en el sentido contrario.
Aplicaciones de los Diodos
Desde el inicio del empleo de las antiguas válvulas termoiónicas de tipo diodo en los circuitos
electrónicos analógicos hasta los diodos de estado sólido utilizados en la actualidad, su principal
función ha sido “rectificar” corrientes alternas para convertirlas en directa (C.D.) y “detectar”
corrientes de alta frecuencia (A.F.) o radiofrecuencia (R.F.) para reconvertirlas en audibles.
Aplicaciones a CD
a. Circuitos de protección contra polarización inversa.
b. Circuito de protección en paralelo para relevadores
c. Reducir el voltaje
Aplicaciones para CA
A corriente alterna se encuentra la mayor parte de las aplicaciones para los diodos
rectificadores en bajas como en altas frecuencias, entre las mas importantes están:
a) Circuitos Rectificadores
b) Circuitos Recortadores
c) Circuitos sujetadores
d) Multiplicadores de voltajes
e) Detector de señal de AM
f) Capacitor variable
10. Rectificador de media onda y de onda completa
Rectificador de media onda:
Ilustración del circuito eléctrico correspondiente a un diodo rectificador de media onda.
El.suministro de corriente alterna (C.A.) que el diodo recibe en forma de onda sinusoidal por
su.parte izquierda, pierde sus semiciclos negativos una vez que la corriente lo atraviesa. De
esa. forma se obtiene una corriente directa tipo “pulsante”

Para el semi-ciclo positivo
Este es el circuito más simple que puede convertir corriente alterna en corriente
continua. Este rectificador lo podemos ver representado en la siguiente figura:
Las gráficas que más nos interesan son:
Durante el semiciclo positivo de la tensión del
primario, el bobinado secundario tiene una
media onda positiva de tensión entre sus
extremos. Este aspecto supone que el diodo se
encuentra en polarización directa. Sin embargo
durante el semiciclo negativo de la tensión en el
primario, el arrollamiento secundario presenta
una onda sinusoidal negativa. Por tanto, el
diodo se encuentra polarizado en inversa.
La onda que más interesa es VL, que es la que
alimenta a RL. Pero es una tensión que no tiene
partes negativas, es una "Tensión Continua
Pulsante", y nosotros necesitamos una "Tensión
Continua
Constante".
Analizaremos
las
diferencias de lo que tenemos con lo que
queremos conseguir.
Lo que tenemos ahora es una onda periódica, y toda onda periódica se puede
descomponer en "Series de Fourier".
Lo ideal sería que solo tuviésemos la componente continua, esto es, solo la primera
componente de la onda que tenemos.
El valor medio de esa onda lo calcularíamos colocando un voltímetro en la RL, si lo
calculamos matemáticamente sería:
𝑉𝑃
1 𝑇
1 𝜋
𝑉𝑐𝑐 = ∫ 𝑉𝐿 𝑑𝑤𝑡 = ∫ 3.45 𝑠𝑒𝑛 𝑤𝑡𝑑𝑤𝑡 = 2
𝑇 0
𝑇 0
𝜋
𝑉𝑐𝑐 =
𝑉𝑃2
𝜋
=
3.45
𝜋
= 10.98 = 11 𝑉
Y este sería el valor medio que marcaría el voltímetro. Como hemos visto tenemos que
eliminar las componentes alternas de las componentes de Fourier. En estos caso
hemos usaremos la 1ª aproximación o la 2ª aproximación.
Por último diremos que este circuito es un rectificador porque "Rectifica" o corta la
onda que teníamos antes, la recorta en este caso dejándonos solo con la parte positiva
de la onda de entrada.
Rectificador de onda completo
Rectificador
o
“puente
rectificador”
de
onda
completa
formado
por
cuatro diodos conectados. de forma apropiada. La onda sinusoidal de corriente alterna
(C.A.) suministrada al circuito de. este diodo por la parte izquierda en la ilustración, sale
rectificada como corriente directa (C.D).
a. Onda completa (semiciclo positivo y negativo)
La siguiente figura muestra un rectificador de onda completa con 2 diodos:
Debido a la conexión en el centro del devanado secundario, el circuito es equivalente a dos
rectificadores de media onda.
El rectificador superior funciona con el
semiciclo positivo de la tensión en el
secundario, mientras que el rectificador
inferior funciona con el semiciclo negativo de
tensión en el secundario.
Es decir, D1 conduce durante el semiciclo
positivo y D2 conduce durante el semiciclo
negativo.
Así pues la corriente en la carga rectificada
circula durante los dos semiciclos.
En este circuito la tensión de carga VL, como
en el caso anterior, se medirá en la resistencia
RL.
Aplicamos Fourier como antes.
Ahora la frecuencia es el doble que la de antes y el pico la mitad del anterior caso. Así la frecuencia
de la onda de salida es 2 veces la frecuencia de entrada.
𝑓𝑠𝑎𝑙 = 2𝑓𝑒𝑛𝑡𝑟
Y el valor medio sale:
𝑉𝑐𝑐 =
2𝑉𝑃2
2 ∗ 17.25
=
= 11 𝑉
𝜋
𝜋
11. Uso de Capacitores en Rectificadores
La salida de CD pulsante de cualquier circuito reclasificado puede convertir en voltaje de CD
constante si coloca el capacitor de valor adecuado a la salida del rectificador para mantener un
voltaje constante a una carga conectada que demande cierto valor de corriente.
RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA:
El rectificador de onda completa utiliza ambas mitades de la señal senoidal de entrada, para
obtener una salida unipolar, invierte los semiciclos negativos de la onda senoidal.
Cuando el voltaje de linea de entrada (que alimenta al primario) es positivo, las señales vs seran
positivas; el D1 conduce y D2 esta polarizado inversamente, la corriente que pasa por D1 circulara
por R y regresara a la derivación central del secundario. El circuito se comporta entonces como
rectificador de media onda, y la salida durante los semiciclos positivos positivos será idéntica a la
producida por el rectificador de media onda.
Durante el semiciclo negativo del voltaje de CA de la línea, los dos voltajes marcados como Vs
serán negativos; el diodo D1 estara en corte y D2 conduce, la corriente conducida por D2 circulara
por R y regresa a la derivación central. Por lo tanto durante los semiciclos negativos tambien el
circuito se comporta como rectificador de media onda, excepto que ahora D2 es el que conduce.
Es importante decir que la corriente que circula por R siempre circulara en la misma dirección y
por lo tanto Vo sera unipolar
La onda de salida que se observa se obtiene suponiendo que un diodo conductor tiene una caída
constante de voltaje VD0