El efecto descrito en el tutorial anterior se consigue sin que se aplique ningún voltaje externo a la unión PN real, lo que hace que la unión se encuentre en un estado de equilibrio.
Sin embargo, si hiciéramos conexiones eléctricas en los extremos de los materiales tipo N y tipo P y los conectáramos a una fuente de batería, ahora existe una fuente de energía adicional para superar la barrera de potencial.
El efecto de añadir esta fuente de energía adicional hace que los electrones libres puedan cruzar la región de agotamiento de un lado a otro. El comportamiento de la unión PN con respecto a la anchura de la barrera de potencial produce un dispositivo conductor asimétrico de dos terminales, más conocido como Diodo de unión PN.
Un Diodo de unión PN es uno de los dispositivos semiconductores más sencillos que existen, y que tiene la característica de pasar la corriente en una sola dirección. Sin embargo, a diferencia de una resistencia, un diodo no se comporta linealmente con respecto a la tensión aplicada, ya que el diodo tiene una relación exponencial corriente-voltaje ( I-V ) y por lo tanto no podemos describir su funcionamiento simplemente utilizando una ecuación como la ley de Ohm.
Si se aplica una tensión positiva adecuada (polarización hacia delante) entre los dos extremos de la unión PN, puede suministrar a los electrones y huecos libres la energía extra que necesitan para cruzar la unión, ya que la anchura de la capa de agotamiento alrededor de la unión PN disminuye.
Al aplicar una tensión negativa (polarización inversa) se consigue que las cargas libres se alejen de la unión, lo que hace que la anchura de la capa de agotamiento aumente. Esto tiene el efecto de aumentar o disminuir la resistencia efectiva de la propia unión permitiendo o bloqueando el flujo de corriente a través de la unión pn de los diodos.
Entonces la capa de agotamiento se ensancha con un aumento en la aplicación de una tensión inversa y se estrecha con un aumento en la aplicación de una tensión directa. Esto se debe a las diferencias en las propiedades eléctricas de los dos lados de la unión PN, lo que provoca cambios físicos. Uno de los resultados produce la rectificación, como se ve en las características estáticas I-V (corriente-voltaje) de los diodos de unión PN. La rectificación se muestra mediante un flujo de corriente asimétrico cuando se altera la polaridad de la tensión de polarización, como se muestra a continuación.
Símbolo del diodo de unión y características I-V estáticas
Pero antes de que podamos utilizar la unión PN como un dispositivo práctico o como un dispositivo rectificador, necesitamos primero polarizar la unión, es decir, conectar un potencial de tensión a través de ella. En el eje de tensión de arriba, «Reverse Bias» se refiere a un potencial de tensión externo que aumenta la barrera de potencial. Una tensión externa que disminuye la barrera de potencial se dice que actúa en la dirección «Forward Bias».
Hay dos regiones de funcionamiento y tres posibles condiciones de «polarización» para el diodo de unión estándar y son las siguientes:
- 1. Bias cero. Cero Bias – No se aplica ningún potencial de voltaje externo al diodo de unión PN.
- 2. Bias inversa – El potencial de voltaje se aplica al diodo de unión PN. Bias inverso – El potencial de voltaje se conecta negativo, (-ve) al material de tipo P y positivo, (+ve) al material de tipo N a través del diodo, lo que tiene el efecto de aumentar la anchura del diodo de unión PN.
- 3. Bias directo – El potencial de voltaje se aplica al diodo de unión PN. Cuando un diodo está conectado en condiciones de polarización cero, no se aplica energía potencial externa a la unión PN. Sin embargo, si los terminales de los diodos están en cortocircuito, unos pocos agujeros (portadores mayoritarios) en el material tipo P con suficiente energía para superar la barrera de potencial se moverán a través de la unión contra este potencial de barrera. Esto se conoce como «Corriente de Avance» y se denomina IF
Asimismo, los huecos generados en el material tipo N (portadores minoritarios), encuentran esta situación favorable y se mueven a través de la unión en la dirección opuesta. Esto se conoce como «corriente inversa» y se denomina IR. Esta transferencia de electrones y huecos de ida y vuelta a través de la unión PN se conoce como difusión, como se muestra a continuación.
Diodo de unión PN sin polarización
La barrera de potencial que existe ahora desalienta la difusión de más portadores mayoritarios a través de la unión. Sin embargo, la barrera de potencial ayuda a los portadores minoritarios (pocos electrones libres en la región P y pocos huecos en la región N) a derivar a través de la unión.
Entonces se establecerá un «Equilibrio» o balance cuando los portadores mayoritarios sean iguales y ambos se muevan en direcciones opuestas, de modo que el resultado neto sea una corriente cero fluyendo en el circuito. Cuando esto ocurre se dice que la unión está en un estado de «Equilibrio Dinámico».
Los portadores minoritarios se generan constantemente debido a la energía térmica por lo que este estado de equilibrio puede romperse aumentando la temperatura de la unión PN provocando un aumento en la generación de portadores minoritarios, resultando así un aumento de la corriente de fuga pero no puede fluir una corriente eléctrica ya que no se ha conectado ningún circuito a la unión PN.
Diodo de unión PN de polarización inversa
Cuando se conecta un diodo en condición de polarización inversa, se aplica una tensión positiva al material de tipo N y una tensión negativa al material de tipo P.
La tensión positiva aplicada al material de tipo N atrae a los electrones hacia el electrodo positivo y los aleja de la unión, mientras que los huecos del extremo de tipo P también son atraídos lejos de la unión hacia el electrodo negativo.
El resultado neto es que la capa de agotamiento se ensancha debido a la falta de electrones y huecos y presenta un camino de alta impedancia, casi un aislante y se crea una barrera de alto potencial a través de la unión impidiendo así que la corriente fluya a través del material semiconductor.
Aumento de la capa de agotamiento debido a la polarización inversa
Esta condición representa un alto valor de resistencia a la unión PN y prácticamente la corriente fluye a través del diodo de unión con un aumento de la tensión de polarización. Sin embargo, una corriente de fuga inversa muy pequeña fluye a través de la unión que normalmente puede medirse en microamperios, ( μA ).
Un último punto, si la tensión de polarización inversa Vr aplicada al diodo se aumenta a un valor suficientemente alto, hará que la unión PN del diodo se sobrecaliente y falle debido al efecto de avalancha alrededor de la unión. Esto puede causar que el diodo se ponga en cortocircuito y dará lugar al flujo de la corriente máxima del circuito, y esto se muestra como un paso hacia abajo en la curva de características estáticas inversas a continuación.
Curva de características inversas de un diodo de unión
A veces este efecto de avalancha tiene aplicaciones prácticas en circuitos estabilizadores de tensión en los que se utiliza una resistencia limitadora en serie con el diodo para limitar esta corriente de ruptura inversa a un valor máximo preestablecido, produciendo así una salida de tensión fija a través del diodo. Estos tipos de diodos se conocen comúnmente como diodos Zener y se discuten en un tutorial posterior.
Diodo de unión PN con polarización hacia delante
Cuando un diodo se conecta en una condición de polarización hacia delante, se aplica una tensión negativa al material de tipo N y una tensión positiva al material de tipo P. Si esta tensión externa es mayor que el valor de la barrera de potencial, aproximadamente 0,7 voltios para el silicio y 0,3 voltios para el germanio, la oposición de las barreras de potencial se superará y comenzará a fluir la corriente.
Esto se debe a que la tensión negativa empuja o repele a los electrones hacia la unión dándoles la energía para cruzar y combinarse con los huecos que son empujados en dirección opuesta hacia la unión por la tensión positiva. Esto da lugar a una curva característica de corriente nula que fluye hasta este punto de tensión, llamado la «rodilla» en las curvas estáticas y luego un alto flujo de corriente a través del diodo con poco aumento de la tensión externa como se muestra a continuación.
Curva de características hacia delante para un diodo de unión
La aplicación de una tensión de polarización hacia delante en el diodo de unión hace que la capa de agotamiento se vuelva muy fina y estrecha, lo que representa un camino de baja impedancia a través de la unión, permitiendo así que fluyan altas corrientes. El punto en el que se produce este aumento repentino de la corriente se representa en la curva estática de características I-V anterior como el punto de «rodilla».
Reducción de la capa de agotamiento debido a la polarización hacia delante
Esta condición representa el camino de baja resistencia a través de la unión PN que permite que fluyan corrientes muy grandes a través del diodo con sólo un pequeño aumento de la tensión de polarización. La diferencia de potencial real a través de la unión o el diodo se mantiene constante por la acción de la capa de agotamiento en aproximadamente 0,3v para el germanio y aproximadamente 0,7v para los diodos de unión de silicio.
Como el diodo puede conducir una corriente «infinita» por encima de este punto de inflexión, ya que se convierte efectivamente en un cortocircuito, se utilizan resistencias en serie con el diodo para limitar su flujo de corriente. Exceder su especificación de corriente de avance máxima hace que el dispositivo disipe más energía en forma de calor de lo que fue diseñado, lo que resulta en un fallo muy rápido del dispositivo.
Resumen del diodo de unión
La región de unión PN de un diodo de unión tiene las siguientes características importantes:
- Los semiconductores contienen dos tipos de portadores de carga móviles, «Agujeros» y «Electrones».
- Los huecos tienen carga positiva mientras que los electrones tienen carga negativa.
- Un semiconductor puede estar dopado con impurezas donantes como el Antimonio (dopaje de tipo N), de modo que contiene cargas móviles que son principalmente electrones.
- Un semiconductor puede estar dopado con impurezas aceptoras como el Boro (dopaje tipo P), de modo que contiene cargas móviles que son principalmente huecos.
- La propia región de unión no tiene portadores de carga y se conoce como región de agotamiento.
- La región de unión (agotamiento) tiene un espesor físico que varía con la tensión aplicada.
- Cuando un diodo está en polarización cero no se aplica ninguna fuente de energía externa y se desarrolla una barrera de potencial natural a través de una capa de agotamiento que es aproximadamente de 0.Cuando un diodo de unión está polarizado hacia delante, el grosor de la región de agotamiento se reduce y el diodo actúa como un cortocircuito que permite que fluya la corriente del circuito completo.
También hemos visto anteriormente que el diodo es un dispositivo no lineal de dos terminales cuya característica I-V es dependiente de la polaridad, ya que dependiendo de la polaridad de la tensión aplicada, VD el diodo está en polarización directa, VD > 0 o en polarización inversa, VD < 0. De cualquier manera podemos modelar estas características de corriente-tensión tanto para un diodo ideal como para un diodo de silicio real como se muestra:
Características ideales y reales del diodo de unión
En el siguiente tutorial sobre diodos, veremos el diodo de señal pequeña a veces llamado diodo de conmutación que se utiliza en los circuitos electrónicos generales. Como su nombre indica, el diodo de señal está diseñado para aplicaciones de señales de baja tensión o de alta frecuencia, como en los circuitos de radio o de conmutación digital.
Los diodos de señal, como el 1N4148, sólo pasan corrientes eléctricas muy pequeñas, a diferencia de los diodos de rectificación de red de alta corriente en los que se suelen utilizar los diodos de silicio. También en el próximo tutorial examinaremos la curva de características estáticas de corriente-tensión de los diodos de señal y sus parámetros.
