DIODO - Principio de funcionamiento y distribución de corriente

 El dispositivo más simple empleado en electrónica es el diodo. En efecto es una simple juntura pn, es decir que se trata de un componente de dos terminales siendo el denominado ánodo (A) el que corresponde a la región p y cátodo (K) a la región n. En la Fig. 1 se ilustra el símbolo que se emplea en los diagramas electrónicos para representar un diodo. Existen varios tipos de diodos, de los cuales se explicarán sólo cuatro. En primer lugar se verá el diodo común, que se emplea en circuitos rectificadores, pasando luego al diodo Zener, que se usa como referencia de tensión y finalmente se verá el diodo emisor de luz o LED y el fotodiodo.

La juntura pn fuera de equilibrio

Se puede romper el equilibrio de una juntura pn ( diodo ) mediante la aplicación de un potencial externo como se ilustra en la Fig. 2. Para lograr esto es preciso colocar los contactos necesarios en las regiones p y n mediante una deposición de aluminio sobre los extremos del semiconductor a fin de tener acceso eléctrico sobre los terminales. De esta manera se han formado dos nuevas junturas, una aluminio-semiconductor tipo p y la otra aluminio-semiconductor tipo n. Estas nuevas junturas se realizan de forma tal que su comportamiento no afecte al de la juntura pn, en concreto, deben conducir la corriente eléctrica con la misma facilidad en ambos sentidos y la caída de tensión en ella debe ser prácticamente de 0V.

En la Fig. 2 además se pueden observar las distintas zonas de interés: la región de carga espacial, las neutras y los contactos. También se puede apreciar la fuente de tensión externa de valor V.

 Solamente existe campo eléctrico y cargas desbalanceadas en la región de carga espacial. En tanto que en las zona neutras no existen cargas sin neutralizar y se supone además que las corrientes eléctricas que circulan por esta región no producen caída de tensión.

En la Fig. 3 se ilustra en primer término el caso de la juntura sin polarizar, es decir con la aplicación de una diferencia de potencial de 0V entre los terminales del diodo. La corriente total que circula debe ser nula puesto que no existe fuente de energía alguna, y además se puede demostrar, como se debe cumplir la segunda ley de Kirchhoff, que la caída de tensión en la juntura es igual pero de sentido opuesto a la suma de las caídas de tensión en las junturas metal-semiconductor.

 Si bien la corriente total es cero hay electrones y huecos moviéndose de un lado al otro. Por ejemplo, en el caso de los electrones, se desplazan de derecha a izquierda aquellos que tienen la energía suficiente para vencer el campo eléctrico adverso. En tanto que los electrones, portadores minoritarios en la región p, que se acerquen a la zona de carga espacial pasarán libremente hacia la derecha pues el sentido del campo eléctrico los ayuda en este movimiento. Con los huecos se sigue este mismo razonamiento. Finalmente se puede afirmar, por el principio del equilibrio detallado, que J1 = J2 y que J3 = J4

En la parte b de la Fig. 3 el diodo se polariza en directa, es decir el potencial más alto de la fuente de alimentación se conecta con la región p o ánodo y el terminal negativo con la región n o cátodo. Toda la tensión externa aplicada cae sobre la juntura, de esta manera la diferencia de potencial se ve reducida al valor 0 – V. Como consecuencia el campo eléctrico en la zona de carga espacial se reduce y para los electrones de la región n es más fácil ahora llegar a la región p. Es más, las corriente J2 y J3 pueden ser ahora de un valor considerable, tanto mayor cuanto mayor sea el valor de V. Las corrientes J1 y J4 prácticamente no se modifican pues dependen de la existencia de portadores minoritarios en ambas regiones.

Finalmente si el diodo se polariza en inversa, el potencial más positivo de la fuente a cátodo y el más negativo al ánodo, la caída de tensión en la juntura se ve reforzada, pasando a valer 0 + V. Esto significa que la barrera de potencial que tienen que vencer los portadores mayoritarios es muy grande, tal es así que J2  0 y J3  0. Sin embargo los portadores minoritarios seguirán circulando puesto que siempre se ven arrastrados por el campo eléctrico, existirá entonces una corriente debida a J1 y a J4, sin embargo su valor es ínfimo.

 Como conclusión se puede decir que el diodo es un dispositivo que permitirá fácilmente la circulación de corriente si se lo polariza en directa, en tanto que la bloqueará si se polariza en inversa. A la corriente que circula cuando el diodo está polarizado en inversa se la denomina corriente inversa de saturación, es del orden de los microamperes, y puesto que es debida a los portadores minoritarios depende fuertemente de la temperatura. La corriente que circula cuando el diodo se polariza en directa es del orden de los miliamperes y aún de los amperes cuando se trata de dispositivos de potencia.

Distribución de las corrientes con polarización directa

Del análisis anterior surge que la corriente eléctrica es debida a los dos tipos de portadores, huecos y electrones, que cruzan la juntura en sentidos opuestos. La corriente total, por tratarse de un circuito serie, es la misma en cualquier plano transversal del diodo, en particular en la juntura metalúrgica tendrá el valor:

I = A[( J2 + J3 ) – ( J1 + J4 )] = A[( J2 – J1 ) + ( J3 - J4 )]

puesto que se supone que en la zona de carga espacial no se produce recombinación alguna. Donde J2 – J1 es la densidad de corriente de electrones y J3 - J4 la de huecos.

 Si se analiza, por ejemplo, ( ver Fig. 4 ) el caso de los huecos que viene de la región p hacia la n, se ve que atraviesan la juntura puesto que tienen la energía suficiente como para vencer el campo eléctrico adverso. Ni bien llegan a la región n se mueven por difusión, más aún, como allí son portadores minoritarios y rápidamente se recombinan.

Se debe recordar, por ejemplo en la zona p, que un hueco que se desplaza de izquierda a derecha es en realidad un electrón que se mueve en la banda de valencia, en decir de átomo en átomo, de derecha a izquierda. Este electrón llega al contacto aluminio semiconductor y se mueve por el cable, ahora ya fuera del diodo, hacia el terminal positivo de la fuente. Con los electrones, cambiando lo que hay que cambiar, el razonamiento es idéntico. Se puede demostrar que la ecuación que rige el comportamiento del diodo es

donde k es la constante de Boltzman, q la carga del electrón, T la temperatura en grados Kelvin, V la tensión externa aplicada, IS la corriente inversa de saturación e I la corriente que circula por el diodo.

En la Ec. 1 si V se hace negativa, polarización inversa, y su valor es mucho mayor que kT/q se reduce a: I = IS

es decir la corriente circula de cátodo a ánodo y es por ello que recibe el nombre de corriente inversa. A temperatura la relación kT/q tiene un valor de 26mV

Por otro lado si el diodo se polariza en directa, V positiva, el -1 de la Ec. 1 se puede despreciar y esta ecuación queda reducido a una simple exponencial. En la Fig. 5 se ilustra el comportamiento del diodo, es decir, corriente que lo circula en función de la tensión aplicada. Es importante notar que las escalas son diferentes para las ordenadas positivas y las negativas, en un caso se trata de miliamperes y en el otro de microamperes.

Una característica interesante es la aparición de una tensión umbral V por debajo de la cual la corriente es muy pequeña, por ejemplo 1% del valor permitido para el funcionamiento del diodo, para valores superiores a V la corriente crece rápidamente. En la Fig. 6 se muestra la diferencia de las características entre un diodo de germanio y otro de silicio. Puede apreciarse que V es de 0,2V para el Ge y de 0,6V para el Si. Además se puede demostrar que dependen de la temperatura, en efecto la variación dV/dT es de -2,1mV/ºC para el Ge y –2,3mV/ ºC para el Si

Volviendo a la Fig. 5 se puede ver que para polarización en inversa del diodo la corriente permanece constante, e igual a IS, hasta que llega a un valor denominado VBR o tensión de ruptura, en la cual crece rápidamente. En este punto se produce el efecto Zener o avalancha, del cual se hablará más adelante. 

Finalmente se puede decir que un diodo ideal sería aquel que en directa conduce corriente sin caída de tensión sobre él y que en inversa la bloquea totalmente es decir se comportaría como un interruptor ideal.