Los semiconductores - El diodo

Artículos teóricos

¿Que ocurre en las entrañas de un diodo semiconductor cuando se le aplica una d.d.p. determinada?.

Sabemos que este componente, el cual está formado por un trozo de cristal semiconductor mitad P y mitad N (o sea una unión PN), en una primera aproximación conduce en un sentido mientras que en el otro se comporta como un aislante.

Si has leido los artículos que dedicamos a las válvulas de vacío reconocerás que el funcionamiento del diodo termoiónico es algo relativamente fácil de asimilar, ya que en él se maneja un solo tipo de portador de carga eléctrica; el electrón.

Sin embargo cuando hablamos de una unión PN, o sea de un diodo semiconductor, contamos con dos portadores de carga distintos, tal y como hemos visto en los artículos precedentes; por un lado el electrón, cuya carga es negativa, y por otro el hueco, al cual se le atribuye carga positiva. La cosa parece que se complica.

No obstante, en este artículo te mostraremos lo fácil que resulta entender el funcionamiento de este dispositivo, pieza básica de gran parte de los equipos electrónicos desarrollados actualmente. El tema tiene una importancia capital para aquellos que deseen profundizar en el estudio de los semiconductores. ¿Te apuntas?.

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Para empezar, refresquemos la memoria con un resumen de lo que hemos aprendido en los dos artículos anteriores relativos a los semiconductores.

A MODO DE RECORDATORIO
Hemos visto que un cristal semiconductor en estado puro, a muy bajas temperaturas, si le conectamos una fuente de energía eléctrica se comporta como un aislante. Su conductividad en este estado es prácticamente nula.

Cuando el termómetro sube y llega a la temperatura ambiente comienza a surgir una debil corriente debida a aquellos pocos electrones, excitados por el aumento de temperatura, que ocasionalmente escapan de la banda de valencia y alcanzan la banda de conducción, formando un par "electrón-hueco", aunque rápidamente vuelven a caer en otro átomo con deficiencia de electrones.

Si la temperatura sigue aumentando son más los electrones que logran alcanzar la banda de conducción, convirtiendose en electrones libres. Sin embargo, la cantidad de ellos es tan escasa que la corriente sigue siendo muy baja. A temperatura ambiente el cristal no es ni un aislante ni un buen conductor. De ahí le viene el nombre de "semiconductor".

Para aumentar su conductividad hacemos pasar al cristal puro por un proceso de "dopaje", que consiste en introducir en su red cristalina un número determinado de átomos, llamados impurezas, bien con cinco o bien con tres electrones en su última órbita, los cuales reciben el nombre de átomos pentavalentes (donadores) y trivalentes (aceptadores) respectivamente.

De esta manera es posible obtener dos tipos de cristal semiconductor; uno con exceso de electrones llamado cristal de tipo "N" y otro con exceso de huecos al que llamamos cristal de tipo "P".

Si tomamos un cristal semiconductor puro y una mitad lo dopamos con impurezas tipo N y la otra mitad con impurezas de tipo P, después de un proceso físico-químico llamado "difusión" obtenemos una unión PN. En la zona donde se unen ambos tipos de cristal aparece lo que se llama "barrera de potencial" o "zona de deplexión", fruto de la fuga o difusión de electrones desde el cristal N al cristal P, buscando los huecos positivos de este último para recombinarse con ellos y conseguir de esta manera la estabilidad atómica de la red cristalina.

Llega un momento en que la difusión de electrones se detiene, ya que la barrera de potencial generada por los iones que se crean por este proceso alcanza un valor tal (0,7 voltios en el silicio y 0,3 voltios en el germanio) que el campo eléctrico engendrado impide que más electrones continúen su viaje, manteniéndolos en el cristal N por la repulsión que el campo ejerce sobre ellos y no permitiendo su paso hacia el cristal P.

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A lo largo y ancho de la zona de deplexión no existen ni electrones libres ni huecos. Es una región en la que no se detectan portadores de cargas "móviles". Sin embargo, si que podemos apreciar la presencia de "iones" positivos en la región N y negativos en la P, los cuales forman la llamada "barrera de potencial" de la unión.

Justo en este punto nos quedamos en el último artículo de esta serie dedicada a los semiconductores. Aún no se ha aplicado ningún tipo de energía eléctrica a la unión PN recién creada, o si la llamamos como vulgarmente se le conoce, al diodo semiconductor que hemos obtenido al terminar el proceso de difusión. Eso lo haremos a partir de ahora.

APLICANDO TENSIÓN AL DIODO
Una vez que el proceso físico-químico de la difusión termina no volverá a reproducirse como tal a lo largo de la vida útil del semiconductor. Sin embargo, la barrera de potencial creada durante el mismo si que modificará su espesor y el valor de su carga eléctrica cuando apliquemos una d.d.p. a la unión, volviendo de nuevo a su estado original (el que tenía en el momento en que se detuvo el proceso de la difusión) cuando dicha d.d.p. desaparezca.

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Para que lo entiendas mejor podemos ilustrarlo de la siguiente manera; es algo parecido (salvando las diferencias lógicas y físicas) a lo que ocurre en la cámara interna de una bomba de aire manual, de las usadas para llenar los neumáticos de las bicicletas por ejemplo.

El aire que contiene la cámara se asemeja en cierto sentido a la barrera de potencial de la unión PN. Primero posicionamos el émbolo hacia la mitad de su recorrido y entonces le tapamos firmemente la boca de salida del aire. Esta es la posición de "reposo" y la representamos mediante la figura siguiente.

En esta posición no se está ejerciendo ningún tipo de fuerza en el émbolo. El aire del interior de la cámara, en estas condiciones, puede equipararse a la unión PN cuando no tiene ninguna tensión eléctrica aplicada y su barrera de potencial tiene el espesor con el que acabó el proceso de difusión.

Supongamos que ahora aplicamos una fuerte presión al émbolo. El aire interior se comprime, disminuye su volumen y el ancho que ocupa. Podemos verlo en la siguiente ilustración.

Algo así es lo que le ocurre a la barrera de potencial de la unión cuando le aplicamos una tensión eléctrica al diodo en sentido directo; su espesor y su carga se reducen hasta llegar a desaparecer por completo para tensiones de 0,7 voltios y superiores (en el caso del silicio).

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No obstante, y volviendo de nuevo a nuestra bomba de aire, si soltamos el émbolo y lo liberamos de manera que dejamos de presionarlo, de nuevo vuelve a su posición de reposo por si solo y el aire del interior de la cámara recupera su volumen y ancho originales.

Es precisamente lo mismo que le ocurre a la barrera de potencial de la unión PN cuando desconectamos la tensión eléctrica que tenía aplicada en sentido directo; recupera el espesor y la carga que tenía antes de aplicarle la mencionada tensión eléctrica.

Veamos ahora el caso contrario. Si tiramos hacia afuera del émbolo el aire interior se expande y aumenta su volumen y su ancho. La siguiente ilustración refleja muy bien lo que queremos decir.

Un efecto parecido es el que experimenta la barrera de potencial de la unión al aplicársele una tensión eléctrica en sentido inverso. Su espesor y su carga aumentan proporcionalmente a la tensión inversa aplicada.

Pero si de nuevo liberamos el émbolo, en el momento en que lo soltamos este vuelve a su posición central de reposo original, como si no hubiera ocurrido nada. El aire interior otra vez recupera su volumen y ancho originales.

De manera semejante, la barrera de potencial vuelve a tener su espesor y carga primitivos en cuanto dejamos de aplicarle la tensión inversa a los extremos del diodo.

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El alma de un diodo semiconductor, y por extensión de los transistores bipolares y de gran parte de los componentes electrónicos basados en semiconductores, es la barrera de potencial creada en la unión PN por el proceso de difusión. Por esta razón nos interesa mucho conocer exactamente como reacciona esta barrera de potencial cuando se le aplica una tensión a sus extremos.

Examinemos primero el caso de un diodo al que se le administra la llamada "polarización directa", la cual hará que se torne conductor, que deje pasar la corriente eléctrica y que por lo tanto se comporte como un interruptor cerrado.

POLARIZACIÓN DIRECTA
Antes de ver que ocurre cuando se polariza directamente al diodo recordemos en que estado se encuentra su barrera de potencial cuando aún no se le ha aplicado tensión alguna. La figura siguiente es bantante explícita, y en ella se puede ver que la pila no influye para nada en la unión PN ya que está desconectada del circuito.

Los iones negativos de la barrera de potencial de la zona P impiden que los electrones de la zona N se le acerquen. Al mismo tiempo, los iones positivos de dicha barrera de potencial de la zona N también mantienen a raya a los huecos de la zona P.

En este estado, que podemos llamar de "reposo", se encuentra la barrera de potencial cuando no se le aplica ninguna tensión eléctrica. Por supuesto, no existe circulación de corriente al estar el interruptor abierto.

Cerremos ahora el interruptor. En principio, usamos una batería de muy poco voltaje, concretamente de 0,4 voltios. Esto lo hacemos con la idea de ver que ocurre antes de que se superen los 0,7 voltios, valor de la tensión de la barrera de potencial en reposo, ya que el material usado es silicio. ¿Que ocurre en el momento en que cerramos el circuito?.

Vemos como la barrera de potencial de la unión ha reducido su espesor. ¿Por qué ocurre esto?. Como consecuencia de haber aplicado al diodo la tensión de la pila, los electrones libres de la región N son "empujados" hacia la unión por el campo eléctrico que genera esta, invadiendo parte de la barrera de potencial y neutralizando la carga positiva de los iones más cercanos a ellos, los cuales se crearon en el proceso de difusión.

Pasa algo parecido en la zona P. El polo positivo de la pila atrae a parte de los electrones que atravesaron la unión y que originalmente se combinaron con los átomos de la zona P formando los iones negativos. Al "arrancarlos" de su sitio se cancela la carga negativa de los iones mas cercanos al polo positivo de la batería.

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Se aprecia claramente que los 0,4 voltios de la pila son insuficientes para conseguir reducir a cero el campo eléctrico generado por la barrera de potencial de la unión, por lo que aún el diodo no conduce.

Los electrones de la región N no tienen la energía suficiente para atravesar el resto del campo eléctrico que aún permanece en la zona de deplexión. Se necesitan al menos 0,7 voltios para conseguirlo y nuestra pila solo tiene 0,4 voltios. Veamos como se comporta la barrera de potencial con una batería de voltaje superior.

Al usar una batería con una d.d.p. superior a los 0,7 voltios las cosas cambian radicalmente. Los electrones libres de la región N son empujados con fuerza hacia los iones positivos de la unión cancelando completamente sus cargas eléctricas y los hace desaparecer.

Del mismo modo, el polo positivo de la pila atrae fuertemente a los electrones que se instalaron en la región P, aquellos que formaron la parte de la barrera correspondiente a los iones negativos, y tambien hace desaparecer a estos como tales. La barrera de potencial de la unión PN ha desaparecido completamente gracias a que la tensión de la batería supera los 0,7 voltios. Entonces se establece una intensidad de corriente importante desde la zona N a la P.

Como ya se explicó en el artículo precedente dedicado a este mismo tema, la corriente en un cristal semiconductor puede establecerse de dos maneras diferentes; los electrones pueden moverse bien como cargas libres en la banda de conducción o bien saltando de átomo en átomo en la banda de valencia usando las últimas órbitas de estos.

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Para distinguir la corriente establecida en la banda de conducción de la que se produce en la banda de valencia, a esta última ha quedado en llamársele corriente de huecos, atribuyéndosele a este corpúsculo (al hueco) carga positiva y movilidad, tal como ocurre con el electrón.

Para tener claro este asunto, vamos a acompañar a un electrón durante su tránsito a través del circuito del diodo, la batería y el interruptor. Conocer el camino que sigue este electrón nos hará comprender de manera precisa el funcionamiento del diodo cuando está polarizado directamente.

EL VIAJE DE UN ELECTRÓN
Estamos al principio del itinerario. Nuestro electrón, muy chulo él, acaba de salir del negativo de la pila y se dirige hacia el interruptor, el cual va a atravesar con tremenda facilidad. Después continuará su marcha hacia el extremo derecho del diodo, es decir hacia la mitad de tipo N.

Al no encontrar oposición alguna, el electrón entra por la derecha en dicha región N, ocupa la banda de conducción de la estructura atómica del cristal y se convierte en un portador mayoritario (ver artículo anterior), dirigiendose vertiginosamente (usando la banda de conducción a modo de autopista) hacia la unión PN, en la cual ha desaparecido la barrera de potencial y por lo tanto nuestro electrón ya no encontrará ninguna resistencia para pasar de la zona N a la P.

Al estar la región N dopada con átomos pentavalentes (donadores) apenas existen en ella los huecos, los cuales son portadores minoritarios en esta parte del semiconductor. Aunque efectivamente existe una pequeñísima corriente de huecos en ella, estos se mueven en la banda de valencia y son generados por los poquísimos electrones que, por efecto térmico, solo tienen la energía suficiente para saltar de la órbita de valencia de un átomo a la órbita de valencia de otro átomo cercano.

Dicha corriente es tan pequeña que por el momento podemos despreciarla si la comparamos con la que se produce en la banda de conducción. Si te fijas, en la última ilustración del subtema anterior hemos representado este hecho por medio de dos solitarios huecos positivos marchando hacia el extremo derecho del diodo, encaminandose hacia el polo negativo de la pila. Estamos aún en la región N.

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Continuando con nuestro electrón, este llega a la unión misma en la que, como hemos dicho, la barrera de potencial ha desaparecido por efecto de la tensión de la pila. El electrón atraviesa la unión "olímpicamente" sin ningún problema ni oposición. Le sobra energía y, en ausencia de la barrera de potencial, entra de lleno en la región P.

Sin embargo en el momento en que el electrón, que recordemos que al recorrer la región N lo ha hecho en la banda de conducción, entra en el cristal P se encuentra rodeado de huecos por todos lados. A partir de este momento ya estamos en la región P.

Casi automáticamente y de forma inexorable, la partícula con carga negativa cae en uno de los múltiples huecos de la región P. Cual ratón que es arrojado en un criadero de gatos, a cualquier electrón libre que entra en la zona P desde la N le queda muy poco tiempo de vida como tal. Concretamente el nuestro se acaba de convertir en un portador minoritario y a partir de ahora su viaje lo tendrá que proseguir en la banda de valencia y no en la de conducción como hizo en la región N.

Aunque algunos electrones logran llegar a la banda de conducción de la región P, estos son tan pocos que la corriente que generan puede perfectamente no ser tenida en cuenta. Es el reverso de la moneda de lo que ocurre con los huecos en la región N, desaparecen como tales.

Nuestro electrón viaja ahora saltando de átomo en átomo a través de las últimas órbitas de estos, las órbitas de valencia, aprovechando los huecos que las impurezas trivalentes (aceptadoras) han generado en la región P. La energía necesaria para hacer esto es mucho menor que la que necesitaría para saltar a la banda de conducción. Además, su velocidad es más lenta de lo que era cuando ha atravesado la región N como electrón libre. Sin embargo no encuentra oposición en su camino hacia el positivo de la batería, cosa que le facilitan enormemente los huecos de esta parte del cristal.

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Recordemos que el tipo de corriente que se establece en la región P se conoce y se asimila como una corriente de huecos, equiparándolos a cargas positivas que se desplazan en sentido contrario al movimiento de los electrones. Para refrescarte la memoria volvemos a incluir aquí el gráfico mediante el cual te explicamos esto en su dia.

Finalmente, el electrón llega al borde izquierdo de la región P. En el momento de salir del cristal, el electrón deja un hueco libre en el semiconductor. Obsérvese que el hueco solo está presente en el cristal y en ningún momento existe fuera de él.

Una vez en el exterior del semiconductor y de nuevo como electrón libre, nuestra carga negativa continúa su camino "triunfal" hacia el positivo de la batería.

POLARIZACIÓN INVERSA
Cuando un diodo se polariza inversamente ocurre todo lo contrario a lo explicado hasta ahora sobre la polarización directa. Comencemos de la misma manera que cuando hemos hablado de esta última, viendo el estado en que se encuentra la unión PN y su barrera de potencial cuando el diodo está "en reposo", o sea, sin ninguna tensión aplicada a sus bornes. Mira la siguiente ilustración.

Como puedes ver, el dibujo es idéntico al de aquella ocasión a excepción de la colocación de la batería. En este caso dicha batería está posicionada al contrario que allí, es decir, su positivo está conectado a través del interruptor a la región N, y su negativo lo está directamente a la zona P. Se trata por lo tanto de una polarización inversa.

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Como en la primera ilustración del caso anterior con polarización directa, el interruptor no está conectado, por lo que la tensión de la batería no influye para nada en la unión PN. La barrera de potencial en estos momentos se encuentra tal y como cuando acabó el proceso de difusión. Veamos que ocurre al conectar el interruptor. En este caso hemos elegido una batería con una d.d.p. de 1,5 voltios.

Vemos como la barrera de potencial de la unión a aumentado su espesor a aproximadamente el doble de lo que era en reposo. Ocurre precisamente lo contrario a cuando la unión se polarizó directamente. En aquella ocasión el espesor de la barrera de potencial disminuyó, ya que la polarización era directa.

Ahora, los electrones de la región N se ven atraidos hacia el polo positivo de la batería y, de manera similar al caso anterior, son "arrancados" de sus respectivos átomos creandose nuevos iones positivos que aumentan el espesor y la carga de la barrera de potencial.

Lo mismo pasa con los huecos de la zona P, los cuales son atraidos hacia el negativo de la batería lo cual crea más iones negativos en dicha región que contribuyen igualmente al aumento del espesor y de la carga de la barrera de potencial.

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En realidad lo que ha ocurrido es que la batería ha absorbido a parte de los electrones de la región N creando más iones positivos en ella. Al mismo tiempo ha cedido electrones a la región P creando más iones negativos en esta zona. Una vez que la d.d.p. de la barrera de potencial se ha igualado a la tensión de la batería, este proceso se interrumpe. El paso de electrones a través de la unión es prácticamente nulo ya que los iones creados a un lado y otro de la misma impiden la circulación de corriente eléctrica.

Cambiemos la batería y pongamos en su lugar otra con una d.d.p. superior, de por ejemplo 2,0 voltios. ¿Como reacciona ahora la barrera de potencial?.

De nuevo aumenta su espesor y su carga proporcionalmente a la tensión inversa aplicada. El proceso es idéntico al ya explicado en los párrafos anteriores. Una vez que la d.d.p. de la barrera iguala a la tensión de la batería el proceso concluye. No se establece circulación de corriente alguna a través del diodo.

Conforme se aumenta la tensión inversa de la batería va aumentando proporcionalmente la d.d.p. de la barrera y se iguala a ella. De esta manera el diodo no deja circular la corriente eléctrica en sentido inverso.

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CONCLUSIÓN
En el diodo ocurren otros procesos además de los que hemos expuesto hasta ahora, pero no es el momento de continuar con este tema el cual damos por concluido.

Esperamos que hayas disfrutado de la lectura de este artículo. Nuestra intención ha sido hacerte llegar este conocimiento de la manera más simple y entendible posible. Esperamos sinceramente que lo hayamos conseguido. Gracias por visitarnos.

 
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