Tecno-Tapa: El diodo

Siguiendo (que copiar está mal visto) la idea de Xabier Lopez y sus Pintxos Cuánticos comenzaré una serie de entradas cortas sobre tecnología, donde intentaré explicar el funcionamiento de los dispositivos electrónicos más usuales. Para ser sincero haré las Tecno-Tapas necesarias para llegar (si es que lo consigo) a explicar algo un poco más complicado.

En esta primera mini-entrada hablaremos del funcionamiento del diodo, que considero la pieza mínima en esto que denominamos dispositivos electrónicos.

Un diodo es un dispositivo electrónico con dos terminales, cuyo símbolo circuital (el dibujo que se utiliza para representarlo en un esquema electrónico) es el siguiente:

Símbolo del Diodo

Ya podemos imaginar por el dibujo, dado que parece un embudo, cual será la función que realiza este tipo de dispositivo, pero no adelantemos acontecimientos, si representamos la característica de Corriente (Intensidad que atraviesa el dispositivo) y Tensión (Tensión aplicada al dispositivo) tendremos lo siguiente:

Gráfica I-V. (Ideal)

Gráfica I-V. (Ideal)

En la gráfica anterior se representa la característica de conducción de un diodo simplificada o ideal. Como vemos para tensiones positivas el diodo dejará pasar la corriente casi sin resistencia, y para tensiones negativas el diodo ofrece mucha resistencia al paso de corriente, tanta que no deja pasar nada. Esto nos indica que el principal uso de estos dispositivos será el de rectificar señales alternas, es decir, eliminar la parte negativa (o positiva depende de cómo lo conectemos) de las oscilaciones en la tensión. En los diodos reales, la conducción se producirá un poco por encima de 0Voltios y si aplicamos una tensión negativa muy elevada seguramente logremos que pase la corriente con la consiguiente rotura del diodo.

Pero lo que quería contar realmente es como está construido este tipo de dispositivos. El diodo es una simple unión P-N, pero claro para que esta frase tenga sentido habrá que saber que es una unión P-N.

Semiconductores P y Semiconductores N

Los dispositivos electrónicos, normalmente, están fabricados con silicio (Si), el silicio es un elemento que tiene 4 electrones en su última capa, con estos electrones realiza los enlaces con los átomos vecinos formando unos bonitos cristales de silicio muy bien estructurados. Esto nos deja con un material (el Silicio puro) que muy buen conductor no es que sea, el Silicio en sí mismo no resulta muy útil para construir dispositivos electrónicos, sin embargo si tiene la capacidad de combinarse con otros elementos de una manera sencilla de forma que podemos controlar la conductividad del material. Introduciendo de una manera controlada una serie de dopantes, o átomos extraños, en los cristales de silico podremos regular la capacidad de conducir del material.

Un semiconductor de tipo P estará dopado con átomos que en su última capa tengan solamente 3 electrones libres como el boro), con lo que solo podrá formar 3 enlaces con los átomos de silicio vecinos, en este tipo de semiconductor tendremos una deficiencia en los enlaces, que podemos considerar como una carga positiva (o hueco) libre para poder conducir la electricidad.

Un semiconductor de tipo N estará dopado con átomos que en su última capa tengan 5 electrones libres(como el fósforo), con lo que forman los 4 enlaces con los átomos vecinos y nos queda un electrón libre para moverse por la red, de forma que tendrá mayor posibilidad para conducir la electricidad.

Ya hemos visto como podemos aumentar la conductividad del silicio, y ahora tendremos que ver como conseguir la característica de conducción de la que hemos hablado antes.

La unión hace la fuerza, pero depende

Como se ha comentado lo importante es la unión de estos dos tipos de semiconductores, la unión P-N, y lo que sucede cuando unimos estos dos tipos de semiconductores.

Al unirlos en la frontera se produce una difusión de las cargas libres, se produce un movimiento de electrones hacía la parte donde hay una deficiencia de electrones, que es la zona P (donde había huecos), como se observa en la siguiente figura:

Unión P-N. Zona de carga espacial.

Unión P-N. Zona de carga espacial. (Fuente: Wikipedia)

En esta difusión de cargas, lo que se produce es una zona donde hay una serie de iones negativos y positivos que están fijados a la red cristalina y que no se pueden mover. Estos iones se han formado al quedarse desprovistos de la carga que los hacia neutros y que se ha movido hacia los huecos.

El que estos iones estén fijos en la red cristalina produce un campo eléctrico que se opone a ese movimiento de cargas, es decir, en equilibrio hay un pequeño campo eléctrico en una zona (zona de carga espacial) que se opone al paso de los electrones.

Esta zona de carga espacial es la que provoca el comportamiento anteriormente presentado del diodo, ya que según apliquemos una tensión externa, si tiene el mismo sentido que la zona de carga espacial, esta zona crecerá impidiendo la conducción de electricidad (Polarización Inversa):

Polarización inversa del diodo. (Fuente Wikipedia)

Polarización inversa del diodo. (Fuente Wikipedia)

Mientras que si la tensión aplicada es contraria al campo generado en la zona de carga espacial, esta zona se hará mas estrecha permitiendo que los electrones fluyan a través del dispositivo (Polarización directa):

Polarización Directa. Fuente Wikipedia

Ahora ya sabemos los procesos que se producen al unir dos tipos distintos de semiconductor. La unión P-N será la base para la fabricación de dispositivos tan importantes como el transistor, que veremos más adelante.

Actualizado el 29 de Mayo de 2013:

He encontrado este vídeo muy ilustrativo sobre la unión p-n (Enjoy)

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