Diodo: definición, funcionamiento y tipos (LED y semiconductores)

Los primeros tipos de diodos se llamaban válvulas Fleming. Eran tubos de vacío. Estaban dentro de un tubo de cristal (muy parecido a una bombilla). Dentro de la bombilla de cristal había un pequeño hilo metálico y una gran placa metálica. El pequeño hilo metálico se calentaba y emitía electricidad, que era captada por la placa. La placa metálica grande no se calentaba, por lo que la electricidad podía ir en una dirección a través del tubo pero no en la otra. Las válvulas Fleming ya no se utilizan mucho porque han sido sustituidas por los diodos semiconductores, que son más pequeños que las válvulas Fleming. Thomas Edison también descubrió esta propiedad cuando trabajaba en sus bombillas.

Los diodos semiconductores están formados por dos tipos de semiconductores conectados entre sí. Un tipo tiene átomos con electrones de más (llamado lado n). El otro tipo tiene átomos que quieren electrones (llamado lado p). Por ello, la electricidad fluirá fácilmente desde el lado con demasiados electrones al lado con muy pocos. Sin embargo, la electricidad no fluye fácilmente en la dirección inversa. Estos diferentes tipos se fabrican mediante dopaje (semiconductor). El silicio con arsénico disuelto es un buen semiconductor del lado n, mientras que el silicio con aluminio disuelto es un buen semiconductor del lado p. También pueden funcionar otros productos químicos.

El conector del lado n se llama cátodo, el conector del lado p se llama ánodo.

Tensión positiva en el lado p

Si se da una tensión positiva al lado p y una tensión negativa al lado n, los electrones del lado n querrán ir a la tensión positiva del lado p y los agujeros del lado p querrán ir a la tensión negativa del lado n. Debido a esto, el flujo de corriente es capaz de existir, pero se necesita una cierta cantidad de voltaje para que esto comience (una cantidad muy pequeña de voltaje no es suficiente para que la corriente eléctrica fluya). Esto se denomina tensión de conexión. La tensión de conexión de un diodo de silicio se sitúa en torno a los 0,7 V. Un diodo de germanio necesita una tensión de conexión de unos 0,3 V.

Tensión negativa en el lado p

Si, en cambio, das una tensión negativa al lado p y una tensión positiva al lado n, los electrones del lado n quieren ir a la fuente de tensión positiva en lugar de al otro lado del diodo. Lo mismo ocurre en el lado p. Por lo tanto, la corriente no fluirá entre los dos lados del diodo. El aumento de la tensión acabará forzando el flujo de la corriente eléctrica (es la tensión de ruptura). Muchos diodos serán destruidos por un flujo inverso, pero se fabrican algunos que pueden sobrevivir a él.

Cuando la temperatura aumenta, la tensión de corte disminuye. Esto facilita el paso de la electricidad a través del diodo.

Hay muchos tipos de diodos. Algunos tienen usos muy específicos y otros tienen una gran variedad de usos.

Símbolos

Estos son algunos de los símbolos de diodos semiconductores más comunes utilizados en los diagramas esquemáticos:

Diodo rectificador estándar

Esto cambia la A/C (corriente alterna, como en un enchufe de pared en una casa) a D/C (corriente continua, utilizada en la electrónica). El diodo rectificador estándar tiene unos requisitos específicos. Debe manejar una corriente elevada, no verse muy afectado por la temperatura, tener una tensión de corte baja y soportar cambios rápidos en la dirección del flujo de corriente. La electrónica analógica y digital moderna utiliza este tipo de rectificadores.

Diodo emisor de luz

Un LED produce luz cuando la electricidad fluye a través de él. Es una forma más duradera y eficiente de crear luz que las bombillas incandescentes. Dependiendo de cómo se haya fabricado, el LED puede producir diferentes colores. Los LED se utilizaron por primera vez en la década de 1970. El diodo emisor de luz puede acabar sustituyendo a la bombilla a medida que el desarrollo de la tecnología lo haga más brillante y barato (ya es más eficiente y dura más). En los años 70, los LED se utilizaban para mostrar números en aparatos como las calculadoras, y como forma de mostrar que la energía estaba encendida en los aparatos más grandes.

Fotodiodo

Un fotodiodo es un fotodetector (lo contrario de un diodo emisor de luz). Responde a la luz que entra. Los fotodiodos tienen una ventana o una conexión de fibra óptica que deja pasar la luz a la parte sensible del diodo. Los diodos suelen tener una fuerte resistencia; la luz reduce la resistencia.

Diodo Zener

Un diodo zener es como un diodo normal, pero en lugar de ser destruido por una gran tensión inversa, deja pasar la electricidad. La tensión necesaria para ello se denomina tensión de ruptura o tensión Zener. Como está construido con una tensión de ruptura conocida, puede utilizarse para suministrar una tensión conocida.

Diodo varactor

El diodo varicap o varactor se utiliza en muchos aparatos. Utiliza la región entre el lado p y el lado n del diodo donde los electrones y los huecos se equilibran. Esto se denomina zona de agotamiento. Al cambiar la cantidad de tensión inversa, el tamaño de la zona de agotamiento cambia. Hay cierta capacitancia en esta zona, y cambia en función del tamaño de la zona de agotamiento. Esto se llama capacitancia variable, o varicap para abreviar. Se utiliza en los PLL (bucles de bloqueo de fase) que se emplean para controlar la frecuencia de alta velocidad a la que funciona un chip.

Paso-Recuperación-Diodo

El símbolo es el de un diodo con una especie de enganche. Se utiliza en circuitos con altas frecuencias hasta GHz. Se apaga muy rápidamente cuando la tensión de avance se detiene. Para ello utiliza la corriente que fluye después de invertir la polaridad.

Diodo PIN

La construcción de este diodo tiene una capa intrínseca (normal) entre las caras n y p. A frecuencias más lentas, actúa como un diodo estándar. Pero a altas velocidades no puede seguir el ritmo de los cambios rápidos y empieza a actuar como una resistencia. La capa intrínseca también le permite manejar entradas de alta potencia y puede utilizarse como fotodiodo.

Diodo Schottky

El símbolo de esto es el símbolo del diodo, con una "S" en el pico. En lugar de que ambas caras sean semiconductoras (como el silicio), una de ellas es metálica, como el aluminio o el níquel. Esto reduce la tensión de corte a unos 0,3 voltios. Esto es aproximadamente la mitad de la tensión de umbral de un diodo normal. La función de este diodo es que no se inyectan portadores minoritarios: el lado n sólo tiene agujeros, no electrones, y el lado p sólo tiene electrones, no agujeros. Al ser más limpio, puede reaccionar más rápido, sin capacitancia de difusión que pueda ralentizarlo. También crea menos calor y es más eficiente. Sin embargo, tiene algunas fugas de corriente con la tensión inversa.

Cuando un diodo pasa de mover la corriente a no moverla, esto se conoce como conmutación. Un diodo típico tarda decenas de nanosegundos, lo que genera cierto ruido radioeléctrico que degrada temporalmente las señales de radio. El diodo Schottky conmuta en una pequeña fracción de ese tiempo, menos de un nanosegundo.

Diodo túnel

En el símbolo del diodo túnel hay una especie de corchete adicional al final del símbolo habitual.

Un diodo túnel está formado por una unión pn altamente dopada. Debido a este elevado dopaje, sólo hay un hueco muy estrecho por el que pueden pasar los electrones. Este efecto túnel aparece en ambas direcciones. Después de que haya pasado una cierta cantidad de electrones, la corriente a través del hueco disminuye, hasta que comienza la corriente normal a través del diodo en la tensión umbral. Esto provoca una zona de resistencia negativa. Estos diodos se utilizan para tratar frecuencias realmente altas (100 GHz). Además, son resistentes a la radiación, por lo que se utilizan en las naves espaciales. También se utilizan en microondas y frigoríficos.

Diodo de retroceso

El símbolo tiene en el extremo del diodo un signo que parece una gran I. Se fabrica de forma similar al diodo túnel, pero la capa n y la capa p no están tan dopadas. Permite que la corriente fluya hacia atrás con pequeñas tensiones negativas. Puede utilizarse para rectificar tensiones bajas (menos de 0,7 voltios).

Rectificador controlado por silicio (SCR)

En lugar de dos capas como un diodo normal, éste tiene cuatro capas, es básicamente dos diodos juntos, con una puerta en el medio. Cuando la tensión pasa entre la puerta y el cátodo, el transistor inferior se enciende. Esto deja pasar la corriente, que activa el transistor superior, y entonces la corriente no necesitará ser encendida por un voltaje de puerta.