Introducción

Juntura P-N

Circulación de corriente en juntura P-N

Diodo Rectificador

Diodos Zener

A diferencia con otros dispositivos electrónicos cuyo funcionamiento depende de la circulación de cargas eléctrica a través del vacío o de un gas, los dispositivos semiconductores aprovechan la circulación de corrientes en un sólido.

En general, todos los materiales pueden clasificarse como conductores, semiconductores o aisladores, dependiendo de la habilidad que presentan para conducir la corriente eléctrica. Como lo implica su nombre, un material semiconductor tiene menor conductividad(mayor resistencia a la circulación de corriente)que un aislador.

Los materiales mas frecuentemente empleados en dispositivos semiconductores son el germanio y el silicio

La conductividad de un material semiconductor puede incrementarse y controlarse por el agregado de pequeñas cantidades de elementos denominados ´´dopantes´´ o ´´estimulantes´´o en forma general impurezas.

Por ej. , puede utilizarse el boro para dopar el silicio. El empleo de diferentes clases de dopantes produce un material tipo N, que tiene un exceso de electrones, o un material tipo P, que tiene, una escasez de electrones en su estructura cristalina. El lugar dentro de la estructura cristalina donde falta un electrón se denomina ´´laguna´´.

 Juntura p-n

Cuando se forma una juntura con materiales tipo N y tipo P, tiene lugar una interacción en la cual algunos de los electrones en exceso provenientes del material tipo N cruzan la juntura por difusión y se convinan con las lagunas entre el material tipo P. Esta interacción origina una pequeña región con carga espacial (frecuentemente denominada región de transición o capa de deserción)en la inmediata vecindad de la juntura. El material P en esta región adquiere una leve carga negativa como resultado del incremento de electrones; reciprocamente, el material tipo N adquiere una leve carga positiva como resultado de la perdida de electrones que tenia en exceso.

El efecto global es similar a lo que ocurriría si se conecta una batería imaginaria a través de la juntura. En ausencia de circuitos y tensiones externas, la diferencia de tensión o gradiente de potencia a través de la región de carga espacial se opone a que continúe la difusión a través de la juntura P-N, preservando la diferencia de característica entre los dos tipos de materiales.

Cuando se conecta una batería externa a través de la juntura P-N, la intensidad de la corriente que fluye depende de la polaridad de la tensión aplicada y su efecto sobre la región de carga espacial. En la conexión para producir una polarización inversa se incrementa en forma efectiva el ancho de la región de carga espacial aumentando el gradiente de potencial hasta que se aproxima al potencial de la batería externa; la corriente es entonces sumamente reducida. En la condición de polarización directa, la región efectiva de carga espacial se vuelve más angosta, y el gradiente de potencial decrece a un valor muy reducido; entonces los electrones continúan circulando mientras queda aplicada la tensión en sentido directo.

El sentido de circulación de la corriente, definido como convencional (de + a -), es satisfactorio para el análisis de circuito. Sin embargo, en el estudio de los semiconductores es útil pensar que la circulación de corriente es una circulación de electrones, o una circulación de ´´lagunas´´. La corriente de electrones circula de – a + ; la corriente de ´´lagunas´´ circula de + a -.

El rectificador de silicio (o diodo semiconductor) es estructuralmente una juntura P-N. Los rectificadores de este tipo pueden funcionar en temperaturas ambientales de hasta 200ºC y niveles de corrientes tan elevados como 400 A, con niveles de tensión hasta unos 1300 V. La disposición en paralelo o serie de dos o mas rectificadores pueden emplearse para lograr regímenes aun mayores de corriente o tensión.

Como la relación entre la corriente directa y la inversa es muy grande, la eficiencia de rectificación de los rectificadores de silicio pueden ser mejor que el 99%. Cuando se emplean correctamente, sus características de vida es excelente, y muy poco afectada por envejecimiento, humedad o temperatura. Puede, sin embargo, ser fácilmente dañado por excesos momentáneos de temperatura de la juntura causados por sobrecorrientes transitorias elevadas o condiciones de excesiva temperatura de ambiente. Son muy pequeños y livianos, y pueden hacerse relativamente insensibles a golpes u otras condiciones severas del medio circundante.

Cuando se aplica polarización en sentido directo(el ánodo es positivo respecto del cátodo) el rectificador se comporta en forma muy similar a una resistencia baja. La caída de tensión en el sentido directo Vf (normalmente de unos 0,7 V) es de potencial requerido para vencer el gradiente de potencial de región de carga espacial en la juntura P-N. Esta caída se mantiene sustancialmente constante, siempre que la corriente medie al circuito se mantenga dentro del valor nominal del rectificador. Sin embargo, si se incrementa la tensión aplicada al dispositivo (ya sea deliberadamente o como consecuencia de una sobretension momentánea) hasta sobrepasarse apreciablemente la corriente nominal, la caída de tensión en el sentido directo resulta excesiva y el rectificador se puede dañar permanentemente.

En condiciones normales de polarización inversa, el rectificador limita la corriente circulante a unos pocos mA. Si se excede la tensión pico inverso nominal (TPI), la corriente inversa se incrementa muy rápidamente. Todo aumento de polarización por sobre la máxima especificada puede dañar al rectificador. Para obtener los valores mayores de TPI, necesarios para aplicaciones en fuentes de alimentación de alta tensión, se puede conectar dos o mas diodos en serie o en conexiones puente de onda completa.

Este comportamiento es común a todos los diodos en general, sin embargo los distintos tipos de diodos están optimizados para trabajar en alguna zona en particular.

Nosotros llamaremos diodo rectificador al empleado en la conversión de corriente alterna en corriente continua. Ejemplo : de diodo rectificador empleado en la aplicación mencionada son :

1N4001 al 1N4007 (son diodos de 1 A ) (disponible hoja de datos)

1N5400 (son diodos de 3 A) (disponible hoja de datos)

(continuará)

El diodo zener es un tipo especial de diodo diseñado para mantener la tensión constante a través de una porción del circuito, aun cuando ocurran fluctuaciones relativamente importantes de la corriente de entrada a dicho diodo.

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