Física del Estado Sólido en la Electrónica. Parte II – DIODO DE UNIÓN P-N

Saludos de nuevo mis estimados amigos.

Les presento la segunda parte de una serie de posts que tienen como propósito introducirles al mundo de la Electrónica, desde el punto de vista de la Física del estado sólido. Como les prometí, les hablaré acerca del dispositivo electrónico el "Diodo de unión P-N".

Antes de empezar, en el siguiente link podrás tener acceso a la primera parte de esta serie:

Física del Estado Sólido en la Electrónica. PARTE I - INTRODUCCIÓN

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UN POCO DE HISTORIA

El hombre siempre ha tenido la necesidad de comunicarse, pero la distancia siempre se lo impedía. No fue sino, hasta inicios del año 1900 donde la compañía de telégrafos logró lanzar la primera transmisión de radio a través del océano Atlántico, era la letra "S" y se transmitió por medio de código morse. Sin embargo, el problema no radicaba en la señal emitida, sino en la señal detectada. Notaron que la señal recibida tenía mucho ruido. Esto provocó la invención del diodo.

El Rectificador/Diodo Termoiónico

En 1904, John Ambrose Fleming (físico e ingeniero británico), patentó el primer detector de ondas radio eficiente al cual denominó "válvula de Fleming". Este detector, se basaba en el efecto descubierto por Frederick Guthrie.

En 1873, el científico inglés Frederick Guthrie notó al que colocar una placa de metal blanco conectado a tierra cerca de un electroscopio, pero sin tocarlo, este se descargaría si estuviera cargado positivamente (polarización directa). En el caso contrario, al estar cargado negativamente (polarización inversa), este efecto no ocurría (figura 1). A este flujo de carga inducido por el calor en una dirección se le conocía como Emisión Termoiónica. Mas tarde se relacionaría con el Efecto Edison.

_{Figura 1. Animación de la emisión termoiónica en valvula de vacío. [Izquierda] Con polarización directa;}
^{[derecha] Polarización inversa. Fuente: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.}

Con el paso del tiempo, la aceptación de este dispositivo lo llevó a adaptar el nombre de Rectificadores de válvula Termoiónica o válvula de vacío, debido a su capacidad de rectificación. Estos rectificadores se utilizaron en casi todos los componentes electrónicos, como radios, televisores, sistemas de sonido e instrumentación.

El Rectificador/Diodo Semiconductor

En la Alemania de 1874, el físico Karl Ferdinand Braun, mientras probaba la conductividad de cristales de Galena (PbS, sulfuro de plomo) con la punta de un alambre metálico delgado, notó que la corriente fluía libremente en una dirección privilegiada, descubriendo así el efecto de Rectificación que tiene lugar entre los contactos metálicos y ciertos materiales cristalinos.

La físico Jagadish Chandra Bose fue quien convirtió el descubrimiento de Braun en un dispositivo útil para la rectificación de señales de ondas radio. Aunque otros materiales ofrecían un rendimiento ligeramente mejor, la galena tenía la ventaja de ser barata y fácil de obtener . A partir de 1902, el ingeniero estadounidense Greenleaf W. Pickard, probó con varias muestras de minerales para evaluar sus propiedades de rectificación. En sus resultados, presentó una patente para un detector de contacto de punto de Silicio en 1906. Desde ese entonces, empezó a comercializar detectores de radio de cristal bajo el nombre famoso de "detector de bigote de gato".

_{Figura 2. Patente del detector de silicio "bigote de gato".}
^{Fuente: Wiki, Autor: Walter W. Massie and Charles R. Underhill .}

La batalla por ser "El Mejor"

Aunque los dispositivos semiconductores permitían que los equipos de radio simples funcionaran sin alimentación externa, a mediados de la década de 1920, el rendimiento más predecible de los diodos de las válvulas de vacío los reemplazó en la mayoría de las aplicaciones en detectores de ondas radio. Los semiconductores recuperaron protagonismo en la Segunda Guerra Mundial como detectores de ondas radar debido a su capacidad para operar en frecuencias de microondas.

La dificultad de obtener cristales puros de Silicio dio lugar al Germanio, quien tomaría un lugar muy importante en la fabricación de detectores de microondas, mediante el Diodo de Germanio. Con la tecnología de principios del siglo XXI, se lograron obtener monocristales de Silicio que permitieron el desarrollo de los diodos de Silicio.

Hoy en día todavía se utilizan las válvulas de vacío en algunas aplicaciones de alta potencia, donde su capacidad para soportar voltajes transitorios y su robustez les da una ventaja sobre los dispositivos semiconductores, y en aplicaciones de instrumentos musicales.

Sin embargo, la necesidad de dispositivos de gran eficiencia y menor tamaño ha revolucionado al semiconductor y sus múltiples aplicaciones como en los transistores, procesadores, etc.

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Que es un Diodo?

En términos básicos, un diodo es un dispositivo electrónico de dos terminales que permiten que la corriente fluya fácilmente en una dirección, pero que presenta una alta resistencia eléctrica en la dirección inversa.

En su principio, este dispositivo era conocido como Rectificador, debido a su capacidad de convertir la corriente alterna (AC) en corriente directa (DC), pero en 1919 el físico inglés William H. Eccles le cambio el nombre a Diode (diodo, en español). El término Diode proviene de la raíz griega di, que significa "dos", y ode, que es una forma abreviada para "electrode (de electrodo)".

La complejidad de esta etimología es un poco engañosa. Si bien la estructura física del diodo parece simple, además de sus características de rectificación, un diodo puede emitir y detectar luz (en todo el rango de energía), detectar microondas de radar, presentar resistencia negativa, entre otros. Sus aplicaciones más destacadas son:

• Demodulación de ondas radio,
• Conversión de potencia eléctrica,
• Protección de sobrevoltaje,
• Construcción de puertas lógicas,
• Construcción de detectores de radiación ionizante, y
• Medición de la temperatura.

La nomenclatura empleada para la identificación de los diodos en electrónica depende de su tipo. Entre algunos tipos de diodos tenemos: diodo rectificador de Silicio o Germanio, diodo emisor de luz (LED), diodo Zener, diodo tunel, foto diodo y diodo Schottky. Existe una gran cantidad de tipos de diodos que se emplean según su función, sin embargo estos 6 tipos son los más importantes. La siguiente figura muestra algunas nomenclaturas.

_{Figura 4. Nomenclatura electrónica para algunos tipos de diodos.}
^{Fuente: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2, con la ayuda del software Multisim 12.}

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Teoría del Diodo de Unión p-n

Centraremos ahora, la atención en el estudio de "Muestras semiconductoras" que contienen una región extrínseca tipo N y otra tipo P, separadas por una zona de transición relativamente angosta. A esta región angosta de transición se le conoce como "Unión p-n" y con ella se asocian propiedades físicas que constituyen la base de operación de la mayoría de los dispositivos electrónicos semiconductores. Las uniones p-n pueden ser del tipo abrupta y graduada.

_{Figura 5. Tipos de uniones p-n. (a) Unión abrupta; (b) Unión graduada.}
^{Fuente: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.}

La transición entre las regiones p y n puede ser abrupta si la concentración neta de portadores mayoritarios en la región cercana es más o menos constante. En el caso de que la unión sea graduada entonces, las concentraciones de portadores mayoritarios en la región cercana son funciones de la distancia a la unión en su dirección normal (figura 5).

Supongamos ahora que se forma una unión abrupta p-n juntando una muestra uniforme tipo p con otra muestra tipo n para formar un diodo (figura 6). En el instante de la formación existe una concentración uniforme de electrones y iones de huecos libres móviles en el lado n, extendiéndose hasta la unión, y en el lado p, una concentración uniforme de huecos y iones de electrones libres móviles.

_{Figura 6. Estado final en la formación de un diodo de unión p-n.}
^{Fuente: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.}

Como la concentración de electrones en el lado n es mucho mayor que la concentración de electrones en el lado p, en el instante de formación existe una emigración de portadores de cargar en ambas regiones. Esto quiere decir que los electrones se trasladan hasta la región más cercana en la unión dejando huecos. Este flujo no es indefinido, debido a la decadencia de portadores mayoritarios en la región más cercana de la unión y las cargas de los iones fijos cercanos a la unión ya no están libres por las cargas de los portadores libres que estaban allí inicialmente, de modo que se crea un campo eléctrico. La dirección de este campo eléctrico es tal que se opone al flujo de los electrones que salen de la región n, y se opone al flujo de huecos que salen de la región p. De manera que este campo eléctrico contrarresta el flujo de los portadores mayoritarios.

Por último, examinaremos lo que sucede si se aplica un voltaje externo a la muestra que contiene a la unión p-n. Como las regiones cercanas a la unión tiene una deficiencia de portadores de cargas, entonces, estas regiones poseen una resistencia eléctrica mayor que cualquier otra parte de la muestra. Esto significa que si se aplica un voltaje externo a la muestra, casi toda la caída de voltaje se producirá en estas regiones.

_{Figura 7. Comportamiento caracteristico de la unión p-n al aplicar voltaje en}
^{polaridad directa e inversa. Fuente: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.}

La figura 7 nos muestra dos formas en la que se puede aplicar un voltaje externo a una muestra con unión p-n. Para el primer caso (lado derecho), si la región n se conecta al terminal negativo y la región p al positivo, entonces la unión se utiliza como rectificador y obtiene una condición de baja impedancia eléctrica. A este estado se le conoce como polarización directa y podemos visualizar el voltaje umbral. Finalmente, si se invierte la polaridad (lado izquierdo), es decir, la región n se conecta al terminal positivo y la región p al negativo, se observará que la estructura presenta una impedancia muy alta hasta alcanzar el voltaje de ruptura. En este caso se dice que el voltaje aplicado es una polarización inversa.

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