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Electrónica Básica

Conceptos básicos

Ley de Ohm
Leyes de KirchhoffLey de Kirchhoff de tensiónes
Ley de Kirchhoff de corrientes
ResistenciasResistencias en serie 
Resistencias en paralelo
Generadores
Generadores de Continua
Generadores de Alterna
Aparatos de mediciónVoltímetro 
Amperímetro 
Óhmetro
Para el correcto conocimiento de la electrónica es necesario saber algunas leyes y teoremas fundamentales como la Ley de Ohm, las Leyes de Kirchhoff, y otros teoremas de circuitos.
Ley de Ohm
Cuando una resistencia es atravesada por una corriente se cumple que:

• Donde V es la tensión que se mide en voltios (V).
• Donde I es la intensidad de la corriente que atraviesa la resistencia, y que se mide en Amperios (A).
• Donde R es la resistencia que se mide en Ohmios (W).

Leyes de Kirchhoff
Ley de Kirchhoff de tensionesLa suma de las caídas de tensiones de todos los componentes de una malla cerrada debe ser igual a cero.

V₂ + V₃ + V₄ - V₁ = 0

Ley de Kirchhoff de corrientes

La suma de corrientes entrantes en un nodo es igual a la suma de corrientes salientes del nodo.

I₁ = I₂ + I₃ + I₄

Resistencias
Resistencias en serie
Dos o más resistencias en serie (que les atraviesa la misma intensidad) es equivalente a una única resistencia cuyo valor es igual a la suma de las resistencias.

R_T = R₁ + R₂

Resistencias en paralelo
Cuando tenemos dos o más resistencias en paralelo (que soportan la misma tensión), pueden ser sustituidas por una resistencia equivalente, como se ve en el dibujo:

 el valor de esa resistencia equivalente (R_T) lo conseguimos mediante esta expresión:

Generadores
Generadores de Continua
Pueden ser tanto fuentes de corriente como de tensión, y su utilidad es suministrar corriente o tensión, respectivamente de forma continua.

Generador de corriente continua

Generador de tensión continua

Generadores de Alterna
Pueden ser tanto fuentes de corriente como de tensión, y su utilidad es suministrar corrientes o tensiones, respectivamente de forma alterna (por ejemplo: de forma senoidal, de forma triangular, de forma cuadrada., etc....).

Generador de corriente alterna

Generador de tensión alterna

Aparatos de medición.
Voltímetro.

Aparato que mide tensiones eficaces tanto en continua como en alterna, y su colocación es de forma obligatoria en "paralelo" al componente sobre el cual se quiere medir su tensión.

Voltímetro de continua

dc = direct current (corriente directa, corriente de contínua)

Voltímetro de alterna

ac = altern current (corriente alterna)

Errores al medir con voltímetros
Al medir con un voltímetro se comete un pequeño error porque dentro del voltímetro hay un resistencia interna (R_int.), que tiene un valor muy grande (se suele aproximar a infinito).

Amperímetro.
Aparato que mide el valor medio de la corriente, y su colocación es de forma obligatoria en "serie" con el componente del cual se quiere saber la corriente que le atraviesa.
Amperímetro de continua

Amperímetro de alterna

Errores al medir con amperímetros
Como ocurre con el voltímetro, al medir con le amperímetro se comete un error debido a una resistencia interna (R_int.) de valor muy pequeño (se suele aproximar a cero).

Óhmetro
Aparato que mide el valor de las resistencias, y que de forma obligatoria hay que colocar en paralelo al componente estando éste separado del circuito (sin que le atraviese ninguna intensidad). Mide resistencias en Ohmios (W).

Errores al medir con óhmetros
Como se ha visto anteriormente, todo aparato de medición comete un error que a veces se suele despreciar, con los óhmetros ocurre lo mismo, aunque se desprecie ese error hay que tener en cuenta que se suele hacer una pequeña aproximación.

Fuentes de tensión

Fuente de tensión ideal
Fuente de tensión real
Fuente de tensión (aproximadamente) constante
Los circuitos electrónicos deben poseer para su funcionamiento adecuado de al menos una fuente de energía eléctrica, que  debe ser una fuente de tensión o de corriente.
Fuente de tensión idealEs una fuente de tensión que produce una tensión de salida constante, es una Fuente de Tensión con Resistencia interna cero. Toda la tensión va a la carga R_L.

Fuente de tensión real
Algunos ejemplos de fuentes de tensión reales son:

Son las fuentes de tensión que tenemos en la realidad, como ya hemos dicho no existe una fuente ideal de tensión, ninguna fuente real de tensión puede producir una corriente infinita, ya que en toda fuente real  tiene cierta resistencia interna.

Veamos que ocurre en 2 casos, cuando R_L vale 10 W y cuando vale 5 W.

Ahora la tensión en la carga no es horizontal, esto es, no es ideal como en el caso anterior.

Fuente de tensión (aproximadamente) constante
Para que una fuente de tensión sea considerada como una "Fuente de tensión constante", se tiene que cumplir que la resistencia interna de la fuente (R_int) no este, esto es que sea despreciable. Para que despreciemos la R_int se tiene que cumplir:

Solo se pierde el 1 % en el peor caso, por lo tanto se está aproximando a la fuente de tensión ideal.

Veamos que ocurre en 2 valores diferentes de R_L.

Resumen

• Fuente de tensión ideal es la que tiene una R_int. = 0 y produce en la salida una V_L = cte.
• Fuente de tensión real es la que tiene una determinada R_int. En esta R_int. hay una pérdida de tensión. El resto de tensión va a la carga que es la que se aprovecha.
• Fuente de tensión constante es la que tiene una R_int. <= R_L/100. La caída en la R_int. es como mucho el 1 %, aproximadamente a la ideal, que es el 0 %.

Si tenemos que comparar dos fuentes de tensión, la mejor será la que tenga una R_int. más pequeña (o sea la que más parecida a la ideal, que tiene una R_int. = 0 W).

Fuentes de corriente

Fuente de corriente idealFuente de corriente real
Fuente de corriente (aproximadamente) constante
En el caso anterior de la fuente de tensión había una resistencia interna muy pequeña, pero una fuente de corriente es diferente, tiene una resistencia interna muy grande, así una fuente de corriente produce una corriente de salida que no depende del valor de la resistencia de carga.
Fuente de corriente ideal
No existe, es ideal como en el anterior caso de la fuente de tensión ideal..

Fuente de corriente real
Son las fuentes que existen en la realidad.

Veamos que ocurre con los diferentes valores de R_L.

Con esto vemos que una fuente de corriente funciona mejor cuando su resistencia interna es muy alta, mientras que una fuente de tensión funciona mejor cuando su resistencia interna es muy baja. La intensidad de carga tiene esta forma:

Fuente de corriente (aproximadamente) constante

Solo se pierde el 1 % en el peor caso. Con esto nos aproximamos a la fuente de corriente ideal. Veamos 2 valores diferentes de R_L.

Resumen

• Fuente de corriente ideal es la que tiene una R_int = 8 y produce en la salida una I_L = cte.
• Fuente de corriente real es la que tiene una determinada R_int. En esta hay pérdida de corriente. El resto de la corriente va a la carga que es la que se aprovecha.
• Fuente de corriente constante es la que tiene una R_int >= 100R_L. La corriente que se pierde por la R_int es como mucho el 1 %, aproximadamente a la ideal, que es el 0 %.

Si tenemos que comparar 2 fuentes de corriente, la mejor será la que tenga una R_int más grande (o sea la más parecida a la ideal, que tiene una R_int = 8).

Vamos a dar dos teoremas (Thévenin y Norton) que nos van a servir para hacer más fácil (simplificar) la resolución de los circuitos.

a) Calcular la I_L cuando R_L = 1,5 kW.
b) Calcular la I_L cuando R_L = 3 kW.
c) Calcular la I_L cuando R_L = 4,5 kW.

• Ley de Kirchhoff de tensiones.

a)

b)

c)

• Thévenin.

1. Quitar la carga R_L.
   
   
2. Hacemos mallas y calculamos V_Th:
   
   
3.  Cortocircuitar las fuentes de tensión independientes y abrir las fuentes de corriente independientes.
   
   
4. Unir la carga al circuito equivalente conseguido.
   
   

Ahora aplicando Thévenin es mucho más fácil resolver el problema que teníamos.
a)

b)

c)

EJEMPLO: Calcular el equivalente de Thévenin del siguiente circuito:

1. 
   
2. 
   
3. 
   
4. 
   

Este teorema esta muy relacionado con el Teorema de Thévenin. Resolveremos el problema anterior usando el teorema de Norton.

a) Calcular la I_L cuando R_L = 1,5 kW.
b) Calcular la I_L cuando R_L = 3 kW.
c) Calcular la I_L cuando R_L = 4,5 kW.

• Norton.

1. Quitar la carga R_L y poner un cortocircuito (R_L = 0).
   
   
2. Hacemos mallas y calculamos V_Th:
   
   
3.  Cortocircuitar las fuentes de tensión independientes y abrir las fuentes de corriente independientes.
   
4. Unir la carga al circuito equivalente conseguido.
   
   

Ahora aplicando Thévenin es mucho más fácil resolver el problema que teníamos.
a)

b)

c)

Paso de circuito Thévenin a circuito Norton y de circuito Norton a circuito Thévenin

Paso de circuito Thévenin a circuito Norton
Paso de circuito Norton a circuito Thévenin
Como se ha dicho anteriormente los teoremas de Thénenin y Norton están relacionados, así se puede pasar de uno a otro.
Paso de circuito Thévenin a circuito Norton
Tenemos el circuito siguiente:

Cortocircuitamos la carga (R_L) y obtenemos el valor de la intensidad Norton, la R_N es la misma que la R_Th.

Paso de circuito Norton a circuito Thévenin
Tenemos este circuito:

Abrimos la carga (R_L) y calculamos la V_Th, la R_Th es la misma que la R_N.

Detección de averías

Cortocircuito
Circuito abierto
Se trata de descubrir porque el circuito no funciona como debería. Los 2 tipos de averías más comunes son: dispositivo en cortocircuito y dispositivo en circuito abierto.
Cortocircuito
Sus características son:

• La tensión es cero en el dispositivo.
• La corriente es desconocida.

Una resistencia puede estar en cortocircuito si, por ejemplo, durante durante el horneado y soldadura de una tarjeta de circuito impreso, se cae una gota de soldadura y conecta 2 pistas cercanas, es un "Puente de Soldadura", esto es, cortocircuitar un dispositivo entre 2 pistas.

Hay que mirar en el resto del circuito para calcular la I.

Circuito abierto
Se dan estas 2 características.

• La corriente es cero a través del dispositivo.
• La tensión es desconocida.

En circuitos impresos una mala soldadura significa la no conexión normalmente, esto es una "Unión de Soldadura Fría" y significa que el dispositivo está en circuito abierto.

Las resistencias se convierten en circuitos abiertos cuando la potencia que disipan es excesiva.
EJEMPLO:

Primeramente no hay ninguna avería, hacemos el equivalente.

De esa tensión V_A la mitad se disipa en la resistencia entre B y D de 100 kW y la otra mitad en la resistencia  entre A y B de 100 kW.
Para detectar averías no hace falta hacer unos cálculos tan exactos, entonces tendríamos de forma aproximada V_A = 6 V y V_B = 3 V.
R1 en Cortocircuito:

R1 en Circuito Abierto:

R2 en Circuito Abierto:

Para facilitar los cálculos se hacen aproximaciones, ya que hay ciertos valores que se pueden despreciar respecto a otros y que no influyen en gran medida en el resultado final, variándolo en un porcentaje muy pequeño respecto al resultado real. Las aproximaciones vistas hasta ahora son:

Mas adelante estudiaremos el diodo y el transistor y veremos que en estos 2 dispositivos también se usan 3 aproximaciones.

Problemas

Problema 1.1
Problema 1.2
Problema 1.3
Problema 1.4
En este último apartado de este tema se resolverán algunos problemas relacionados con lo visto anteriormente.
Problema 1.1

En la figura se muestra una fuente de corriente de 2 mA con una resistencia de carga ajustable. Para que la fuente de corriente sea constante, ¿cuál el el máximo valor aceptable para la resistencia de carga?

Solución:
La fuente de corriente es constante cuando la resistencia de carga máxima permisible vale:

La corriente por la carga será aproximadamente de 3 mA para cualquier resistencia de carga entre 0 y 150 kW. Mientras la resistencia de carga sea menor que 150 kW, podemos ignorar la resistencia interna de 15 MW y considerar que la fuente de corriente es ideal.

Problema 1.2
En la figura se muestra un circuito Thévenin. Conviértalo en un circuito Norton.

Solución:
En primer lugar, se cortocircuitarán los terminales de carga, como se muestra en la figura:

Con esto se calculará la corriente por la carga en este circuito, que es:

Esta corriente de carga en cortocircuito es igual a la corriente de Norton. La resistencia Norton es igual a la resistencia Thévenin:

Ahora se dibuja el circuito Norton.

La corriente Norton es igual a la corriente con la carga en cortocircuito (5 mA) y la resistencia Norton es igual a la resistencia Thévenin (3 kW).
Problema 1.3
Diseñar un divisor de tensión para el circuito de la figura que genere una tensión fija de 10 V para todas las resistencias de carga mayores que 1 MW.

Solución:
Se estudian los casos extremos para determinar los valores de las resistencias R1 y R2.

Problema 1.4
Sólo con una pila D, un polímetro y una caja con varias resistencias, describa un método mediante el cual, empleando una resistencia, halle la resistencia Thévenin  de la pila.
Solución:

Con estos 2 valores obtenemos el valor de la resistencia Thévenin.

Esta fórmula se suele utilizar para calcular Zi, Zo y Z vista desde dos puntos. Es una fórmula muy importante.

Antes de ver el funcionamiento de Diodos, Transistores y circuitos integrados, estudiaremos los materiales Semiconductores. Estos, que no son ni conductores ni aislantes, tienen electrones libres, pero lo que les caracteriza especialmente son los huecos.

En este tema, veremos los conceptos y propiedades más importantes de los Semiconductores.

Los objetivos de este tema son:

• Conocer las características de los semiconductores y conductores a nivel atómico.
• Ser capaz de describir la estructura de un cristal de Silicio.
• Saber cuales son y como se comportan los dos tipos de portadores y sus impurezas.
• Ser capaz de explicar las condiciones que se dan en la unión pn sin polarizar, polarizada en directa y polarizada en inversa.
• Conocer los dos tipos de corrientes de ruptura provocados por la aplicación sobre un diodo de gran voltaje en inversa.
  Un conductor es un material que, en mayor o menor medida, conduce el calor y la electricidad. Son buenos conductores los metales y malos, el vidrio, la madera, la lana y el aire.
  NOTA: Definimos la unidad de carga +1 como +1,6·10^-19 culombios. Así un electrón tiene una carga -1 equivalente a -1,6·10^-19 culombios.
  El conductor más utilizado y el que ahora analizaremos es el Cobre (valencia 1), que es un buen conductor. Su estructura atómica la vemos en la siguiente figura.
  
  Su número atómico es 29. Esto significa que en el núcleo hay 29 protones (cargas positivas) y girando alrededor de él hay 29 electrones girando en diferentes órbitas.
  En cada órbita caben 2n² siendo n un número entero n = 1, 2, 3, ... Así en la primera órbita (n = 1) caben 212 = 2 electrones. En la segunda órbita 2·2² = 8 electrones. En la tercera órbita 2·3² = 18 electrones. Y la cuarta órbita solo tiene 1 electrón aunque en ella caben 2·4² = 32 electrones.
  Lo que  interesa en electrónica es la órbita exterior, que es la que determina las propiedades del átomo. Como hay + 29 y - 28, queda con + 1.
  Por ello vamos a agrupar el núcleo y las órbitas internas, y le llamaremos parte interna. En el átomo de cobre la parte interna es el núcleo (+ 29) y las tres primeras órbitas (- 28), con lo que nos queda la parte interna con una carga neta de +1.
  
  Como el electrón de valencia es atraído muy débilmente por la parte interna, una fuerza externa puede liberarlo fácilmente, por eso es un buen Conductor. Nos referiremos a ese electrón de valencia, como electrón libre.
  Lo que define a un buen conductor es el hecho de tener un solo electrón en la órbita de valencia (valencia 1).
  Así, tenemos que:
  • A 0 ºK (-273 ºC) un metal no conduce.
  • A Temperatura ambiente 300 ºK ya hay electrones libres debidos a la energía térmica.
  - Si tenemos un campo eléctrico aplicado los electrones libres se mueven en todas direcciones. Como el movimiento es al azar, es posible que muchos electrones pasen por unidad de área en una determinada dirección y a la vez en la dirección opuesta. Por lo tanto la corriente media es cero.
  
  - Veamos ahora como cambia la situación, si se aplica al metal un campo eléctrico.
  
  Los electrones libres se mueven ahora en una dirección concreta. Y por lo tanto ya hay carga (en culombios) que cruza la sección del metal en un segundo, o sea ya existe una corriente.
  Como ya conocemos, el electrón tiene una carga negativa (-1,619-19 culombios) y por tanto el convenio tomado para definir la corriente (contrario al movimiento de las cargas negativas) nos indica que la corriente toma el sentido indicado en la figura.
  El electrón se mueve dentro de la red cristalina del metal con una velocidad media.
  
  La resistencia que opone la barra de metal al paso de la corriente la podemos calcular de la siguiente forma:
  
  
  
  Son elementos, como el germanio y el silicio, que a bajas temperaturas son aislantes. Pero a medida que se eleva la temperatura o bien por la adicción de determinadas impurezas resulta posible su conducción. Su importancia en electrónica es inmensa en la fabricación de transistores, circuitos integrados, etc...
  Los semiconductores tienen valencia 4, esto es 4 electrones en órbita exterior ó de valencia. Los conductores tienen 1 electrón de valencia, los semiconductores 4 y los aislantes 8 electrones de valencia.
  Los 2 semiconductores que veremos serán el Silicio y el Germanio:
  
  Como vemos los semiconductores se caracterizan por tener una parte interna con carga + 4 y 4 electrones de valencia.
  
  

  Cristales de silicio

  
  
  Simulación
  Al combinarse los átomos de Silicio para formar un sólido, lo hacen formando una estructura ordenada llamada cristal. Esto se debe a los "Enlaces Covalentes", que son las uniones entre átomos que se hacen compartiendo electrones adyacentes de tal forma que se crea un equilibrio de fuerzas que mantiene unidos los átomos de Silicio.
  Vamos a representar un cristal de silicio de la siguiente forma:
  
  Cada átomo de silicio comparte sus 4 electrones de valencia con los átomos vecinos, de tal manera que tiene 8 electrones en la órbita de valencia, como se ve en la figura.
  La fuerza del enlace covalente es tan grande porque son 8 los electrones que quedan ( aunque sean compartidos ) con cada átomo, gracias a esta característica los enlaces covalentes son de una gran solidez.
  Los 8 electrones de valencia se llaman electrones ligados por estar fuertemente unidos en los átomos.
  
  El aumento de la temperatura hace que los átomos en un cristal de silicio vibren dentro de él, a mayor temperatura mayor será la vibración. Con lo que un electrón se puede liberar de su órbita, lo que deja un hueco, que a su vez atraerá otro electrón, etc...
  
  A 0 ºK, todos los electrones son ligados. A 300 ºK o más, aparecen electrones libres.
  
  Esta unión de un electrón libre y un hueco se llama "recombinación", y el tiempo entre la creación y desaparición de un electrón libre se denomina "tiempo de vida".

  Enlace covalente roto: Es cuando tenemos un hueco, esto es una generación de pares electrón libre-hueco.

  
  
  Según un convenio ampliamente aceptado tomaremos la dirección de la corriente como contraria a la dirección de los electrones libres.
  
  Simulación
  En este applet podemos ver mediante una animación el comportamiento de los electrones en un cristal de silicio.

  Los electrones libres (electrones) se mueven hacia la izquierda ocupando el lugar del hueco. Carga del electrón libre = -1.6x10-19 Culombios.Los electrones ligados (huecos) se mueven hacia la derecha. Carga de electrón ligado = +1.6x10-19 Culombios.

  Semiconductores: Conducen los electrones (electrones libres) y los huecos (electrones ligados).
  Conductores: Conducen los electrones libres.
  Resumiendo: Dentro de un cristal en todo momento ocurre esto:
  • Por la energía térmica se están creando electrones libres y huecos.
  • Se recombinan otros electrones libres y huecos.
  • Quedan algunos electrones libres y huecos en un estado intermedio, en el que han sido creados y todavía no se han recombinado.
  
  

  Semiconductores intrínsecos

  Simulación
  Es un semiconductor puro. A temperatura ambiente se comporta como un aislante porque solo tiene unos pocos electrones libres y huecos debidos a la energía térmica.
  En un semiconductor intrínseco también hay flujos de electrones y huecos, aunque la corriente total resultante sea cero. Esto se debe a que por acción de la energía térmica se producen los electrones libres y los huecos por pares, por lo tanto hay tantos electrones libres como huecos con lo que la corriente total es cero.
  La tensión aplicada en la figura forzará a los electrones libres a circular hacia la derecha (del terminal negativo de la pila al positivo) y a los huecos hacia la izquierda.
  Simulación
  En este applet podemos ver mediante una animación en que dirección se mueven los electrones y los huecos en un semiconductor intrínseco.
  

  Cuando los electrones libres llegan la extremo derecho del cristal, entran al conductor externo (normalmente un hilo de cobre) y circulan hacia el terminal positivo de la batería. Por otro lado, los electrones libres en el terminal negativo de la batería fluirían hacia el extremos izquierdo del cristal. Así entran en el cristal y se recombinan con los huecos que llegan al extremo izquierdo del cristal. Se produce un flujo estable de electrones libres y huecos dentro del semiconductor.
  
  
  
  
  
  

  Dopado de un semiconductor

  
  Caso 1
  Caso 2
  Para aumentar la conductividad (que sea más conductor) de un SC (Semiconductor), se le suele dopar o añadir átomos de impurezas a un SC intrínseco, un SC dopado es un SC extrínseco.
  Caso 1
  Impurezas de valencia 5 (Arsénico, Antimonio, Fósforo). Tenemos un cristal de Silicio dopado con átomos de valencia 5.
  

  

  Los átomo de valencia 5 tienen un electrón de más, así con una temperatura no muy elevada (a temperatura ambiente por ejemplo), el 5º electrón se hace electrón libre. Esto es, como solo se pueden tener 8 electrones en la órbita de valencia, el átomo pentavalente suelta un electrón que será libre.
  Siguen dándose las reacciones anteriores. Si metemos 1000 átomos de impurezas tendremos 1000 electrones más los que se hagan libres por generación térmica (muy pocos).
  A estas impurezas se les llama "Impurezas Donadoras". El número de electrones libres se llama n (electrones libres/m³).
  

  

  Caso 2
  Impurezas de valencia 3 (Aluminio, Boro, Galio). Tenemos un cristal de Silicio dopado con átomos de valencia 3.
  

  

  Los átomo de valencia 3 tienen un electrón de menos, entonces como nos falta un electrón tenemos un hueco. Esto es,  ese átomo trivalente tiene 7 electrones en la orbita de valencia. Al átomo de valencia 3 se le llama "átomo trivalente" o "Aceptor".
  A estas impurezas se les llama "Impurezas Aceptoras". Hay tantos huecos como impurezas de valencia 3 y sigue habiendo huecos de generación térmica (muy pocos). El número de huecos se llama p (huecos/m³).
  

  

  
  

  Semiconductores extrínsecos

  
  
  

  
  

  Semiconductor tipo n

  Semiconductor tipo p

  Son los semiconductores que están dopados, esto es que tienen impurezas. Hay 2 tipos dependiendo de que tipo de impurezas tengan:

  Semiconductor tipo n

  Es el que está impurificado con impurezas "Donadoras", que son impurezas pentavalentes. Como los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n, reciben el nombre de "portadores mayoritarios", mientras que a los huecos se les denomina "portadores minoritarios".

  Al aplicar una tensión al semiconductor de la figura, los electrones libres dentro del semiconductor se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. Cuando un hueco llega al extremo derecho del cristal, uno de los electrones del circuito externo entra al semiconductor y se recombina con el hueco.

  

  Los electrones libres de la figura circulan hacia el extremo izquierdo del cristal, donde entran al conductor y fluyen hacia el positivo de la batería.

  Semiconductor tipo p

  Es el que está impurificado con impurezas "Aceptoras", que son impurezas trivalentes. Como el número de huecos supera el número de electrones libres, los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones libres son los minoritarios.

  Al aplicarse una tensión, los electrones libres se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. En la figura, los huecos que llegan al extremo derecho del cristal se recombinan con los electrones libres del circuito externo.

  

  En el circuito hay también un flujo de portadores minoritarios. Los electrones libres dentro del semiconductor circulan de derecha a izquierda. Como hay muy pocos portadores minoritarios, su efecto es casi despreciable en este circuito.

  
  

  El diodo no polarizado

  
  
  

  Zona de deplexión
  Barrera de potencial
  Los semiconductores tipo p y tipo n separados no tienen mucha utilidad, pero si un cristal se dopa de tal forma que una mitad sea tipo n y la otra mitad de tipo p, esa unión pn tiene unas propiedades muy útiles y entre otras cosas forman los "Diodos".
  El átomo pentavalente en un cristal de silicio (Si) produce un electrón libre y se puede representar como un signo "+" encerrado en un circulo y con un punto relleno (que sería el electrón) al lado.
  

  

  El átomo trivalente sería un signo "-" encerrado en un circulo y con un punto sin rellenar al lado (que simbolizaría un hueco).
  

  

  Entonces la representación de un SC tipo n sería:
  

  

  Y la de un SC tipo p:
  

  

  La unión de las regiones p y n será:
  

  

  Al juntar las regiones tipo p y tipo n se crea un "Diodo de unión" o "Unión pn".
  Zona de deplexión
  Al haber una repulsión mutua, los electrones libres en el lado n se dispersan en cualquier dirección. Algunos electrones libres se difunden y atraviesan la unión, cuando un electrón libre entra en la región p se convierte en un portador minoritario y el electrón cae en un hueco, el hueco desaparece y el electrón libre se convierte en electrón de valencia. Cuando un electrón se difunde a través de la unión crea un par de iones, en el lado n con carga positiva y en el p con carga negativa.
  Las parejas de iones positivo y negativo se llaman dipolos, al aumentar los dipolos la región cerca de la unión se vacía de portadores y se crea la llamada "Zona de deplexión".
  

  

  Barrera de potencial
  Los dipolos tienen un campo eléctrico entre los iones positivo y negativo, y al entrar los electrones libres en la zona de deplexión, el campo eléctrico trata de devolverlos a la zona n. La intensidad del campo eléctrico aumenta con cada electrón que cruza hasta llegar al equilibrio.
  El campo eléctrico entre los iones es equivalente a una diferencia de potencial llamada "Barrera de Potencial" que a 25 ºC vale:
  

  • 0.3 V para diodos de Ge.
  • 0.7 V para diodos de Si.

  Polarizar: Poner una pila.
  No polarizado: No tiene pila, circuito abierto o en vacío.
  z.c.e.: Zona de Carga Espacial o zona de deplexión (W).
  

  

  Si el terminal positivo de la fuente está conectado al material tipo p y el terminal negativo de la fuente está conectado al material tipo n, diremos que estamos en "Polarización Directa".

  La conexión en polarización directa tendría esta forma:

  

  En este caso tenemos una corriente que circula con facilidad, debido a que la fuente obliga a que los electrones libres y huecos fluyan hacia la unión. Al moverse los electrones libres hacia la unión, se crean iones positivos en el extremo derecho de la unión que atraerán a los electrones hacia el cristal desde el circuito externo.

  Así los electrones libres pueden abandonar el terminal negativo de la fuente y fluir hacia el extremo derecho del cristal. El sentido de la corriente lo tomaremos siempre contrario al del electrón.

  

  Lo que le sucede al electrón: Tras abandonar el terminal negativo de la fuente entra por el extremo derecho del cristal. Se desplaza a través de la zona n como electrón libre.

  En la unión se recombina con un hueco y se convierte en electrón de valencia. Se desplaza a través de la zona p como electrón de valencia. Tras abandonar el extremo izquierdo del cristal fluye al terminal positivo de la fuente.

  Se invierte la polaridad de la fuente de continua, el diodo se polariza en inversa, el terminal negativo de la batería conectado al lado p y el positivo al  n, esta conexión se denomina "Polarización Inversa".

  En la siguiente figura se muestra una conexión en inversa:

  

  El terminal negativo de la batería atrae a los huecos y el terminal positivo atrae a los electrones libres, así los huecos y los electrones libres se alejan de la unión y la z.c.e. se ensancha.

  A mayor anchura de la z.c.e. mayor diferencia de potencial, la zona de deplexión deja de aumentar cuando su diferencia de potencial es igual a la tensión inversa aplicada (V), entonces los electrones y huecos dejan de alejarse de la unión.

  A mayor la tensión inversa aplicada mayor será la z.c.e.

  

  Existe una pequeña corriente en polarización inversa, porque la energía térmica crea continuamente pares electrón-hueco, lo que hace que halla pequeñas concentraciones de portadores minoritarios a ambos lados, la mayor parte se recombina con los mayoritarios pero los que están en la z.c.e. pueden vivir lo suficiente para cruzar la unión y tenemos así una pequeña corriente.

  La zona de deplexión empuja a los electrones hacia la derecha y el hueco a la izquierda, se crea así una la "Corriente Inversa de Saturación"(I_S) que depende de la temperatura.

  

  Además hay otra corriente "Corriente Superficial de Fugas" causada por las impurezas del cristal y las imperfecciones en su estructura interna. Esta corriente depende de la tensión de la pila (V ó V_P).

  

  Entonces la corriente en inversa (I ó I_R) será la suma de esas dos corrientes:

  

  Ruptura

  
  Efecto AvalanchaEfecto Zener
  
  

  Los diodos admiten unos valores máximos en las tensiones que se les aplican, existe un límite para la tensión máxima en inversa con que se puede polarizar un diodo sin correr el riesgo de destruirlo.

  Veamos un ejemplo:

  

  A la tensión en la que la I_R aumenta de repente, se le llama "Tensión de Ruptura" (V_Ruptura). A partir de este valor I_R es muy grande y el diodo se estropea. En el diodo ha ocurrido el "Efecto Avalancha" o "Ruptura por Avalancha".

  Efecto Avalancha = Ruptura por Avalancha  = Multiplicación por Avalancha

  Efecto Avalancha
  Aumenta la tensión inversa y con ella la z.c.e..
  
  

  

  Ocurre lo siguiente dentro del diodo:
  
  

  

  Justo en el límite antes de llegar a Ruptura, la pila va acelerando a los electrones. Y estos electrones pueden chocar con la red cristalina, con los enlaces covalentes. Choca el electrón y rebota, pero a V_Ruptura la velocidad es muy grande y por ello la E_C es tan grande que al chocar cede energía al electrón ligado y lo convierte en libre. El electrón incidente sale con menos velocidad que antes del choque. O sea, de un electrón libre obtenemos dos electrones libres.

  Estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden chocar contra otro electrón de un enlace covalente, ceden su energía... y se repite el proceso y se crea una Multiplicación por Avalancha.

  Y ahora I_R ha aumentado muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy grande (-100 mA). Con esta intensidad el diodo se estropea porque no está preparado para trabajar a esa I_R.

  Efecto Zener
  
  

  Este es otro efecto que puede estropear el diodo, y es muy parecido al anterior. Se suele dar en diodos muy impurificados, diodos con muchas impurezas.

  

  Al tener la z.c.e. muy pequeña y seguimos teniendo la misma tensión (0.7 V), tenemos muy juntos los átomos de impurezas teniendo así más carga en menos espacio.

  En esta situación se crea un campo eléctrico muy intenso. Y el efecto es como la carga de un condensador.

  

  Si se polariza en inversa se ensancha la z.c.e.
  ¿Qué ocurre en la z.c.e.?
  
  

  

  A aumentado mucho E (Campo Eléctrico), por ejemplo para los 3 V llega a 300.000 V/cm y se da el "Efecto Zener": Ahora la F, fuerza debida al campo eléctrico, es capaz de arrancar el electrón y lo hace libre. Este campo eléctrico intenso arranca muchos electrones de esta forma dando lugar a una corriente grande que destruye el Diodo.

  Veamos en que diodos se dan estos  2 efectos:

  • Efecto Avalancha (Ruptura por avalancha)
    • Diodo Rectificador     V_R = - 50 V (tensiones grandes).
    • Diodo de Avalancha   V_R = - 6 V, - 7 V, - 8 V... A veces le llama Diodo Zener aunque no sea un Zener en si.
  • Efecto Zener (Ruptura Zener)
    • Diodo Zener    V_R = - 4 V, - 3 V, - 2 V... A veces puede ocurrir este efecto en otro tipo de diodos que no sean Zener, pero tienen que estar muy impurificados. Los Diodos Zener están especialmente preparados para no estropearse.

  Entre - 4 V y - 6 V se pueden dar los 2 fenómenos a la vez (Avalancha y Zener).

  
  

  
  

  Niveles y bandas de energía

  
  Bandas de Energía en un Semiconductor IntrínsecoBandas de Energía en un Semiconductor tipo n
  Bandas de Energía en un Semiconductor tipo p
  
  

  Las ideas y los conceptos vistos anteriormente los analizaremos ahora desde un punto de vista energético.

  Hablar de Radios y de Energías es lo mismo. Cuanto mayor sea el radio mayor será también la energía.

   Existen diversas maneras de darle energía a un electrón, por:

  • Energía Térmica.
  • Energía Luminosa (fotón E = h x f).
  • Campo Eléctrico.
  • etc...

  Si se le da energía a un electrón para que pase de E1 a E2, este electrón puede pasar de una orbita a otra.

  

  Ese electrón vuelve enseguida, al volver tiene que ceder o soltar la energía. Puede hacerlo de 2 formas:

  • Al volver sale un fotón de luz:

  E2 - E1 = h x f

          Una aplicación de esta característica se ve en los Diodos Led, que dependiendo de las energías tendrán diferentes colores, y también pueden soltar fotones invisibles a frecuencias en las que la vista no puede captarlas.

  • También se suelta energía en forma de calor, energía térmica (calentamiento del diodo).

   Las energías las representaremos gráficamente de esta manera:

  

  Hasta ahora hemos visto un átomo aislado, pero en un cristal tenemos que aplicar el "Principio de Exclusión de Pauli":

  "En un sistema electrónico no puede haber 2 electrones con los mismos números cuánticos".

  Esto es, que no puede haber 2 electrones con la misma energía.

  Bandas de Energía en un Semiconductor Intrínseco
  Anteriormente hemos visto que los semiconductores intrínsecos eran aquellos que no tenían impurezas, esto es, todos son átomos de Si.
  
  

  

  Al aplicar el principio de exclusión de Pauli el electrón de energía E1 de un átomo y el electrón de energía E1 del átomo vecino se han de separar en energía. Como hay una gran cantidad de átomos aparecen muchos niveles energéticos con una separación muy pequeña, formando la 1ª Banda de Energía.

  Los electrones de energía E2 se separan en energía formando la 2ª Banda de Energía.

  Y así sucesivamente con el resto de energías se van creando Bandas de Energía (grupos de niveles energéticos). El resultado es el siguiente:

  

  Como es difícil sacar un electrón de las bandas inferiores, no nos interesan las 2 bandas inferiores, no las tendremos en cuenta, así tendríamos:
  
  

  

  Estas 2 bandas son las creadas por los 4 electrones de la última órbita del átomo.
  A 0 ºK los 4 electrones de cada átomo están en la Banda de Valencia (cada uno en un radio o energía permitido).
  
  

  

  BC = Banda de Conducción
  BV = Banda de Valencia

  A 300 ºK (27 ºC, temperatura ambiente) o a mayor temperatura, algún electrón puede conseguir suficiente energía como para pasar a la Banda de Conducción, dejando así un hueco en la Banda de Valencia.

  

  Recordar que a esto le llamábamos Generación Térmica de Pares electrón libre-hueco. Cuanto más aumente la temperatura, más electrones suben debido a la generación térmica.
  Por eso un semiconductor a 0 ºK no conduce y si aumenta la temperatura conduce más. Ahora veremos que es lo que ocurre con los semiconductores con impurezas.
  Bandas de Energía en un Semiconductor tipo n
  Tenemos muy pocos átomos de impurezas (+5) en comparación con los átomos normales de Silicio (+4).
  Como se impurifica muy poco, los átomos de +5 están muy alejados y no se influyen entre si, pudiendo tener electrones de átomos diferentes la misma energía y por lo tanto están todos al mismo nivel. Esa energía que tienen se llama "Energía del átomo Donador" (E_D).
  En cuanto se le de una pequeña energía los electrones suben a la BC y se convierten en libres.
  
  

  

  También se da la generación térmica (generación de pares hueco-electrón), pero lo que más ocurre es debido a las impurezas y muy poco por generación térmica, por lo que despreciaremos esta última.
  Bandas de Energía en un Semiconductor tipo p
  En este caso las impurezas son átomos de +3, y como en el caso anterior hay muy pocos y están muy alejados por lo que los electrones de átomos diferentes están al mismo nivel energético. Esa energía es la "Energía del átomo Aceptor" (E_A).
  A 300 ºK o más, el electrón cercano a E_A sube desde la BV y deja un hueco en la BV mientras que la E_A se llena de electrones. Se sigue dando generación térmica también, pero como antes es despreciable.
  
  

  

  
  
  

  La barrera de energía

  
  
  
  Antes de la Difusión
  Empieza la Difusión y la Recombinación
  Equilibrio
  Polarización Directa
  Polarización Inversa
  Para poder comprender como funcionan los dispositivos semiconductores, es necesario conocer el modo en que los niveles de energía controlan la acción de una unión pn.
  Ahora se verá como se forma la barrera de potencial de 0.7 V en el diodo. Veremos 5 puntos:
  
  

  • Antes de la difusión
  • Empieza la difusión y la recombinación
  • Equilibrio
  • Polarización Directa
  • Polarización Inversa

  Antes de la Difusión
  Zona p y n antes de unirse:
  
  

  

  Instante inicial en que se juntan. Instante cero, todavía no ha habido difusión:
  
  

  

  ¿ Porqué están más altas una bandas en p que en n ?

  Las órbitas de la zona p son más pequeñas y por lo tanto los radios también son más pequeños. Como se ha dicho anteriormente, hablar de radios es equivalente a hablar de energías, entonces las energías también son más pequeñas.

  

  Esto es porque +5 atrae más fuertemente que +3. A mayor carga atrae con más fuerza, disminuye así el radio, con lo que la energía es menor.

  Empieza la Difusión y la Recombinación
  Los electrones pasan de derecha a izquierda y se recombinan con los huecos.
  
  

  

  Cruzan y se recombinan los que están al lado de la unión. Se empieza a crear una diferencia de potencial entre una parte y otra, esta diferencia de potencial aumenta hasta que se establezca el equilibrio (Si a 0.7 V, Ge a 0.3 V).

  En las Bandas de Energía ocurre lo siguiente: Un electrón va de n a p y luego en p baja de BC a BV.

  

  Al recombinarse, la energía que hay desde el nivel que tenía al que está el hueco al que ha saltado la tiene que saltar y la suelta en forma de calor (un diodo se suele calentar) o también en forma de radiación que puede ser visible (Led) o no.
  Esto continúa hasta que se llega a 0.7 V y se llega al equilibrio.
  
  

  

  Y se ha creado una diferencia de potencial o anchura de banda (W).
  Hasta ahora resumiendo lo que ha ocurrido es:
  
  

  • Difusión.
  • Recombinación.
  • Se ha formado una z.c.e. (ó deplexión).

  Además de eso las bandas de energía se han desplazado (hasta llegar al equilibrio).
  Equilibrio
  Al llegar a 0.7 V las bandas se han desplazado. Han subido hasta que el nivel inferior de p este al mismo nivel que el nivel superior de n.
  
  

  

  Y se mantendrán en esa posición a no ser que se rompa el equilibrio. En este equilibrio no puede difundirse ningún electrón, no hay difusión ni recombinación si no se rompe el equilibrio.

  Veamos porque se han desplazado:

  Los átomos de valencia +3 tienen en la última órbita 7 electrones y 1 hueco. Las órbitas se ensanchan por el hueco y esto hace que aumenten los radios de la BV y BC. Aumenta radio lo que implica que aumenta la energía, hasta llegar a la situación antes explicada.

  

  Con los átomos +5 ocurre lo contrario, disminuye el radio con lo que disminuye la energía.
  
  

  

  Lo que ha ocurrido es que ya no hay radios coincidentes entre los átomos de valencia +3 y los de valencia +5, por eso se crea el equilibrio.
  Polarización Directa
  Ahora romperemos el equilibrio poniendo una pila.
  
  

  

  La pila es una "Energía Externa" que hace subir los niveles de la zona n. Esta pila en directa elevará el nivel de energía de la zona n.
  
  

  

  Suben las bandas de energía de la zona n y coinciden algunas con la de la zona p, y ya puede haber difusión y recombinación.
  Entonces pasan los electrones, se recombinan, etc...Ahora la pila les obliga.
  El electrón cruza la W y va pegando saltos de hueco en hueco formando una malla cerrada.
  
  

  

  Algunos electrones puede que antes de cruzar bajen y se recombinen con el hueco, pero hay muchos más que se comportan de la otra manera.
  Polarización Inversa
  Otra forma de romper el equilibrio es con la Polarización Inversa, que se da poniendo la pila al revés que en el caso anterior.
  
  

  

  Al poner la pila de esa forma aumenta el W porque la pila atrae a los huecos y los electrones.
  Y se ensancha la W hasta igualarse la barrera de potencial al valor de la pila externa. En este ejemplo se llegará al nuevo equilibrio al llegar esa barrera de potencial al valor de 5 V.
  Las bandas de energía de la zona n bajan respecto a la zona p, y no hay corriente.
  
  

  En polarización inversa es más difícil la conducción, porque el electrón libre tiene que subir una barrera de potencial muy grande de n a p al ser mayor el valor de W. Entonces no hay conducción de electrones libres o huecos, no hay corriente.

  En esta situación tenemos que tener en cuenta la generación térmica de pares electrón-hueco. Los pocos electrones generados térmicamente pierden energía y bajan de p a n, es la "Corriente Inversa de Saturación" (I_S) que es muy pequeña.

  Esa corriente tiene un sentido, siempre se toma la corriente de p a n. Entonces sería negativa en este caso.

  Además de esta corriente tenemos otra corriente debida a las fugas, que se denomina "Corriente de Fugas" (I_f).
  
  

  

  También ocurre un fenómeno antes de llegar a ese valor, antes de establecerse el valor de I_S.
  Mientras van saliendo huecos y electrones, entre el instante inicial y el equilibrio final, hay instantes intermedios. Se crea un transitorio durante el cual en un intervalo breve de tiempo hay una "Corriente Transitoria".
  I_transitoria puede llegar a tener un valor muy grande.
  I_transitoria = - Grande
  Pero dura muy poco, unos nanosegundos. Su duración depende de la resistencia y la capacidad que haya en la malla, así tenemos una "Constante de Tiempo":
  
  

  

  Esta constante de tiempo define lo rápido o lenta que es esa malla. Conviene que  sea pequeña. Suele ser del orden de decenas de nanosegundos.
  Si en vez de poner una pila de continua, conectamos el diodo a una onda alterna:
  
  

  

  Al tener una onda senoidal el valor de la tensión se está variando continuamente, es como una pila variable, por ello siempre se moverá con retraso debido a esa . Por lo tanto, la frecuencia de esa onda senoidal es importante, por ejemplo para una frecuencia de 10 MH:
  
  

  

   (decenas de nseg) ha de ser pequeño respecto a T. Entonces para frecuencias menores o iguales a 10MHz el circuito funcionaría bastante bien.
  
  

  

  La malla tiene que ser suficientemente rápida respecto a la frecuencia de la senoidal.
  Tenemos que la I_f (Intensidad debida a fugas) es proporcional a la tensión, mientras que la I_S depende de la temperatura (I_S aumenta 7 % por cada ºC).
  Problema 2.1Problema 2.2
  En este último apartado de este tema se resolverán algunos problemas relacionados con lo visto anteriormente.
  Problema 2.1
  ¿Cuál es la barrera de potencial en un diodo de silicio cuando la temperatura de la unión es de 100 C?
  Solución:
  Si la temperatura de la unión aumenta a 100 C, la barrera de potencial disminuye en
  
  

  (100 - 25)·2 mV = 150 mV = 0,15 V

  con lo que el valor de la barrera de potencial es
  
  

  V_B = 0,7 V - 0,15 V = 0,55 V

  Problema 2.2
  Un diodo de silicio tiene una corriente inversa de saturación de 5 nA a 25 C. Calcule la corriente inversa de saturación a 100 C.
  Solución:
  La corriente inversa de saturación se duplica por cada aumento de 10 C. Por tanto, es igual a 10 nA a 35 C, 20 nA a 45 C, 40 nA a 55 C, 80 nA a 65 C, 160 nA a 75 C, 320 nA a 85 C, 640nA a 95 C, 1,28 mA a 100 C.
  Recuerde que la regla sólo es una aproximación. Para obtener mayor precisión se puede emplear la regla del incremento del 7 por 100 por cada grado de aumento de temperatura. En este caso,
  
  

  I_S = 1,07·1,07·1,07·1,07·1,07·640 nA = 1,07⁵·5 nA = 799 nA

  
  
  
  

  EL DIODO DE UNIÓN

  
  En este tema estudiaremos las aproximaciones para los diodos, las aproximaciones empleen dependen de lo que se quiera hacer.
  Los objetivos de este tema son:
  
  

  • Dibujar la curva característica del diodo con sus elementos más importantes.
  • Ser capaz dibujar el símbolo del diodo diferenciando el ánodo del cátodo.
  • Saber buscar en la hoja de características de un catálogo los cuatro parámetros característicos del diodo.
  • Ser capaz de explicar el funcionamiento del diodo ideal.
  • Conocer los distintos tipos aproximaciones que existen y para que casos se utilizan.

  La resistencia como dispositivo lineal

  Antes de ver el diodo vamos a ver las características de la resistencia.
  La resistencia de carbón típica está formada por polvo de carbón machacado. Son importantes las dimensiones del carbón.
  
  

  

  Para analizar el comportamiento de esa resistencia la polarizaremos primero en directa y luego en inversa. Se toman los valores con un Amperímetro y un Voltímetro y se representa la I en función de V, con lo que tendremos el comportamiento de la resistencia.
  
  

  

  Si polarizo al revés las ecuaciones son las mismas, pero las corrientes y las tensiones son negativas.
  
  

  

  Entonces al final nos quedará de la siguiente forma:
  
  

  

  A esta representación se le llama "Curva Característica" y es una recta, por ello se dice que la resistencia es un "Elemento Lineal". Es más fácil trabajar con los elementos lineales porque sus ecuaciones son muy simples.
  
  

  La curva característica del diodo

  Analizamos de la misma forma el diodo:
  
  

  

  Se le van dando distintos valores a la pila y se miden las tensiones y corrientes por el diodo, tanto en directa como en inversa (variando la polarización de la pila). Y así obtenemos una tabla que al ponerla de forma gráfica sale algo así:
  
  

  

  El diodo como dispositivo no lineal

  Esta es la curva característica del diodo (un diodo se comporta de esa forma). Como no es una línea recta, al diodo se le llama "Elemento No Lineal" ó "Dispositivo No Lineal", y este es el gran problema de los diodos, que es muy difícil trabajar en las mallas con ellos debido a que sus ecuaciones son bastante complicadas.
  La ecuación matemática de esta curva es:
  
  

  '

  En directa, a partir de 0.7 V la corriente aumenta mucho, conduce mucho el diodo y las corrientes son muy grandes. Debido a estas corrientes grandes el diodo podría romperse, por eso hay que tener cuidado con eso (como máximo se tomará 0.8 V ó 0.9 V).
  En inversa tenemos corrientes negativas y pequeñas.
  A partir de -1 V se puede despreciar la  y queda aproximadamente I = -I_S, que es muy pequeña aunque no se ha tenido en cuenta la corriente de fugas, con ella sería:
  
  

   I = -( I_S + I_f )

  A partir de -1 V si no hubiera I_f tendríamos una corriente pequeña y horizontal pero como hay fugas que son proporcionales a la tensión inversa, bajando poco a poco.
  
  

  

  Si sigo aumentando la tensión inversa puede ocurrir la ruptura a la tensión de ruptura, en este ejemplo a  V_R = -50 V aparece la avalancha y ya la ecuación no vale, es otra distinta:
  
  

  

  Y aquí el diodo se destruye a no ser que sea uno preparado (un diodo zener).
  Al punto en el que se vence la barrera de potencial se le llama codo. La "Barrera de Potencial" ó "Tensión Umbral" es el comienzo del codo, a partir de ahí conduce mucho el diodo en directa.
  
  

  La zona directa

  Tensión Umbral
  Resistencia Interna
  Máxima corriente continua en polarización directa
  Resistencia para limitación de corriente
  Disipación máxima de potencia
  En la zona directa tenemos dos características importantes:
  
  

  • Hay que vencer la barrera de potencial (superar la tensión umbral V_d) para que conduzca bien en polarización directa (zona directa).
  • Aparece una resistencia interna (el diodo se comporta aproximadamente como una resistencia.

  Tensión Umbral
  Como ya se ha dicho antes es el valor de la tensión a partir del cual el diodo conduce mucho. A partir de la Tensión Umbral ó Barrera de Potencial la intensidad aumenta mucho variando muy poco el valor de la tensión.
  
  

  

  Resistencia Interna
  A partir de la tensión umbral se puede aproximar, esto es, se puede decir que se comporta como una resistencia.
  
  

  

  La zona n tiene una resistencia y la zona p otra resistencia diferente:
  
  

  

  EJEMPLO:  1N4001    r_p= 0.13 W      r_n = 0.1 W
  La resistencia interna es la suma de la resistencia en la zona n y la resistencia en la zona p.
  
  

  

  Y la pendiente de esa recta será el inverso de esta resistencia interna.
  
  

  

  Como la resistencia interna es pequeña, la pendiente es muy grande, con lo que es casi una vertical, esto es, conduce mucho.
  Resumiendo hemos visto que tenemos:
  
  

  

  Máxima corriente continua en polarización directa
  Es el mayor valor de corriente permitido en la característica del diodo:
  
  

  

  EJEMPLO:  1N4001    I_Fmáx = 1 A (F = forward (directa))
  Resistencia para limitación de corriente
  En circuitos como el de la figura, hay que poner una resistencia porque sino el diodo se estropearía fácilmente.
  
  

  

  Esto se ve dándole valores a la pila, y viendo las intensidades que salen, que a partir de 0.7 V (suponiendo que el diodo es de silicio) aumentan mucho como se ve claramente en la gráfica de la característica del diodo.
  
  

  

  Entonces se pone una resistencia para limitar esa corriente que pasa por el diodo, como se ve en la figura:
  
  

  

  Se calcula la resistencia para limitar la corriente, para que no aumente a partir de 1 A por ejemplo.
  
  

  

  Disipación máxima de potencia
  La máxima corriente y la máxima potencia están relacionados. Como ocurre con una resistencia, un diodo tiene una limitación de potencia que indica cuanta potencia puede disipar el diodo sin peligro de acortar su vida ni degradar sus propiedades. Con corriente continua, el producto de la tensión en el diodo y la corriente en el diodo es igual a la potencia disipada por éste.
  Normalmente en diodos rectificadores no se suele emplear la limitación máxima de potencia, ya que toda la información acerca de la destrucción del diodo (por calor) ya esta contenida en el límite máximo de corriente.
  EJEMPLO: 1N4001
  En la hoja de características indica una corriente máxima con polarización directa I_o de 1 A. Siempre que la corriente máxima con polarización directa sea menor que 1 A, el diodo no se quemará.
  
  

  

  La potencia que se disipa en el diodo en forma de calor.
  
  

  

  Como ya se ha dicho no se debe pasar de ese valor de potencia.
  
  

  La zona inversa

  En polarización inversa teníamos un  corriente que estaba formada por la suma de los valores de la corriente I_S y la corriente de fugas I_f:
  
  

  

  Hay que tener cuidado, no hay que llegar a V_R porque el diodo se rompe por avalancha (excepto si es un Zener).
  
  

  Modos de resolución de circuitos con diodos

  Modelo Exacto
  Los modelos de resolución de circuitos con diodos más usados son 4:
  
  

  • Modelo exacto
  • 1ª Aproximación
  • 2ª Aproximación
  • 3ª Aproximación

  Primeramente analizaremos la resolución de forma exacta y en el siguiente apartado se verán los tres tipos de aproximaciones.
  Modelo Exacto
  El circuito que queremos resolver es el siguiente.
  
  

  

  Primeramente y mirando la temperatura en la que estamos trabajando tomamos del catálogo los siguientes valores para Tª = 27 ºC (temperatura ambiente):
  
  

  

  Con esto podremos continuar calculando:
  
  

  

  De la ecuación exacta del diodo:
  
  

  

  Tenemos 2 incógnitas y una ecuación, necesitamos otra ecuación que será la ecuación de la malla:
  
  

  

  Y ahora tenemos 2 incógnitas y 2 ecuaciones, resolvemos:
  
  

  

  Nos queda que es imposible despejar la V, es una "ecuación trascendente". Para resolver este tipo de ecuaciones hay que usar otro tipo de métodos, aquí lo resolveremos por "tanteo", que consiste en ir dándole valores a una de las incógnitas hasta que los valores se igualen.
  
  

  

  En este ejemplo hemos usado una malla, pero si tuviéramos más diodos, tendríamos más exponenciales, más mallas, etc... Esto es muy largo, por eso no se usa (a no ser que dispongamos de un ordenador y un programa matemático para resolver este tipo de ecuaciones).
  Para poder hacerlo a mano, vamos a basarnos en unos modelos aproximados más o menos equivalentes del diodo. Estos modelos equivalentes aproximados son lineales, al ser aproximados cometeremos errores.
  
  

  Modelos equivalentes lineales aproximados del diodo

  1ª Aproximación (el diodo ideal)
  2ª Aproximación
  3ª Aproximación
  Como elegir una aproximación
  Existen tres aproximaciones muy usadas para los diodos de silicio, y cada una de ellas es útil en ciertas condiciones.
  1ª Aproximación (el diodo ideal)
  La exponencial se aproxima a una vertical y una horizontal que pasan por el origen de coordenadas. Este diodo ideal no existe en la realidad, no se puede fabricar por eso es ideal.
  
  

  

  Polarización directa: Es como sustituir un diodo por un interruptor cerrado.
  
  

  

  Polarización inversa: Es como sustituir el diodo por un interruptor abierto.
  
  

  

  Como se ha visto, el diodo actúa como un interruptor abriéndose o cerrándose dependiendo si esta en inversa o en directa. Para ver los diferentes errores que cometeremos con las distintas aproximaciones vamos a ir analizando cada aproximación.
  EJEMPLO:
  
  

  

  En polarización directa:
  
  

  

  2ª Aproximación
  La exponencial se aproxima a una vertical y a una horizontal que pasan por 0,7 V (este valor es el valor de la tensión umbral  para el silicio, porque suponemos que el diodo es de silicio, si fuera de germanio se tomaría el valor de 0,2 V).
  
  

  

  El tramo que hay desde 0 V y 0,7 V es en realidad polarización directa, pero como a efectos prácticos no conduce, se toma como inversa. Con esta segunda aproximación el error es menor que en la aproximación anterior.
  Polarización directa: La vertical es equivalente a una pila de 0,7 V.
  
  

  

  Polarización inversa: Es un interruptor abierto.
  
  

  

  EJEMPLO: Resolveremos el mismo circuito de antes pero utilizando la segunda aproximación que se ha visto ahora. Como en el caso anterior lo analizamos en polarización directa:
  
  

  

  Como se ve estos valores son distintos a los de la anterior aproximación, esta segunda aproximación es menos ideal que la anterior, por lo tanto es más exacta, esto es, se parece más al valor que tendría en la práctica ese circuito.
  3ª Aproximación
  La curva del diodo se aproxima a una recta que pasa por 0,7 V y tiene una pendiente cuyo valor es la inversa de la resistencia interna.
  
  

  

  El estudio es muy parecido a los casos anteriores, la diferencia es cuando se analiza la polarización directa:
  
  

  

  

  EJEMPLO: En el ejemplo anterior usando la 3ª aproximación, tomamos 0,23 W  como valor de la resistencia interna.
  
  

  

  Esta tercera aproximación no merece la pena usarla porque el error que se comete, con respecto a la segunda aproximación, es mínimo. Por ello se usará la segunda aproximación en lugar de la tercera excepto en algún caso especial.
  Como elegir una aproximación
  Para elegir que aproximación se va a usar se tiene que tener en cuenta, por ejemplo, si son aceptables los errores grandes, ya que si la respuesta es afirmativa se podría usar la primera aproximación. Por el contrario, si el circuito contiene resistencias de precisión de una tolerancia de 1 por 100, puede ser necesario utilizar la tercera aproximación. Pero en la mayoría de los casos la segunda aproximación será la mejor opción.
  La ecuación que utilizaremos para saber que aproximación se debe utilizar es esta:
  
  

  

  Fijándonos en el numerador se ve que se compara la V_S con 0.7 V. Si V_S es igual a 7 V, al ignorar la barrera de potencial se produce un error en los cálculos del 10 %, si V_S es 14 V un error del 5 %, etc...
  
  

  

  Si se ve el denominador, si la resistencia de carga es 10 veces la resistencia interna, al ignorar la resistencia interna se produce un error del 10 % en los cálculos. Cuando la resistencia de carga es 20 veces mayor el error baje al 5 %, etc...
  
  

  

  En la mayoría de los diodos rectificadores la resistencia interna es menor que 1 W, lo que significa que la segunda aproximación produce un error menor que el 5 % con resistencias de carga mayores de 20 W. Por eso la segunda aproximación es una buena opción si hay dudas sobre la aproximación a utilizar. Ahora veremos una simulación  para un ejemplo concreto de uso de estas aproximaciones.
  
  

  Variables dependientes e independientes

  Cualquier circuito tiene variables independientes (como tensiones de alimentación y resistencias en las ramas) y variables dependientes (tensiones en las resistencias, corrientes, potencias, etc.). Cuando una variable independiente aumenta, cada una de las variables dependientes responderá, normalmente, aumentando o disminuyendo. Si se entiende cómo funciona el circuito, entonces se será capaz de predecir si una variable aumentará o disminuirá.
  EJEMPLO:
  
  

  

  Si se analiza la resistencia R_L y la tensión V_S, se ve que los valores que se desean son de 1 kW  y 10 V en este caso, a estos se les llama "valores nominales", pero los valores reales se rigen por unas tolerancias, que son unos rangos de valores no un valor fijo. El diodo también puede variar su valor de tensión umbral.
  Pero estas tres variables (R_L, V_S y V_j) dependen de la fabricación, estos es dependen de si mismas, son "variables independientes". Por otro lado están las "variables dependientes", que dependen de las tres variables anteriores, que son: V_L, I_L, P_D, P_L y P_T. Estos queda reflejado en la siguiente tabla:
  
  

  

  Hoja de características de un diodo

  Tensión inversa de ruptura
  Corriente máxima con polarización directa
  Caída de tensión con polarización directa
  Corriente inversa máxima
  La mayor parte de la información que facilita el fabricante en las hojas de características es solamente útil para los que diseñan circuitos, nosotros solamente estudiaremos aquella información de la hoja de características que describe parámetros que aparecen en este texto.
  Tensión inversa de ruptura
  Estudiaremos la hoja de características del diodo 1N4001, un diodo rectificador empleado en fuentes de alimentación (circuitos que convierten una tensión alterna en una tensión continua).
  La serie de diodos del 1N4001 al 1N4007 son siete diodos que tienen las mismas características con polarización directa, pero en polarización inversa sus características son distintas.
  Primeramente analizaremos las "Limitaciones máximas" que son estas:
  
  

  

  Estos tres valores especifican la ruptura en ciertas condiciones de funcionamiento. Lo importante es saber que la tensión de ruptura para el diodo es de 50 V, independientemente de cómo se use el diodo. Esta ruptura se produce por la avalancha y en el 1N4001 esta ruptura es normalmente destructiva.
  Corriente máxima con polarización directa
  Un dato interesante es la corriente media con polarización directa, que aparece así en la hoja de características:
  
  

  

  Indica que el 1N4001 puede soportar hasta 1 A con polarización directa cuando se le emplea como rectificador. Esto es, 1 A es el nivel de corriente con polarización directa para el cual el diodo se quema debido a una disipación excesiva de potencia. Un diseño fiable, con factor de seguridad 1, debe garantizar que la corriente con polarización directa sea menor de 0,5 A en cualquier condición de funcionamiento.
  Los estudios de las averías de los dispositivos muestran que la vida de éstos es tanto más corta cuanto más cerca trabajen de las limitaciones máximas. Por esta razón, algunos diseñadores emplean factores de seguridad hasta de 10:1, para 1N4001 será de 0,1 A o menos.
  Caída de tensión con polarización directa
  Otro dato importante es la caída de tensión con polarización directa:
  
  

  

  Estos valores están medidos en alterna, y por ello aparece la palabra instantáneo en la especificación. El 1N4001 tiene una caída de tensión típica con polarización directa de 0,93 V cuando la corriente es de 1 A y la temperatura de la unión es de 25 ºC.
  Corriente inversa máxima
  En esta tabla esta la corriente con polarización inversa a la tensión continua indicada (50 V para un 1N4001).
  
  

  

  Esta corriente inversa incluye la corriente producida térmicamente y la corriente de fugas superficial. De esto deducimos que la temperatura puede ser importante a la hora del diseño, ya que un diseño basado en una corriente inversa de 0,05 mA trabajará muy bien a 25 ºC con un 1N4001 típico, pero puede fallar si tiene que funcionar en medios donde la temperatura de la unión alcance los 100 ºC.
  
  

  Comprobación y detección de averías

  El óhmetro es la herramienta adecuada para saber el estado de un diodo. Se mide la resistencia en continua del diodo en cualquier dirección y después se invierten los terminales efectuándose la misma medición. La corriente con polarización directa dependerá de la escala en la que se emplee el ohmétro, lo que significa que se obtendrán distintas lecturas en intervalos diferentes. Sin embargo, lo que hay que buscar principalmente es una diferencia de resistencia inversa a directa muy alta. Para los diodos de silicio comúnmente empleados en la electrónica la razón debe ser mayor que 1.000:1.
  En el uso del óhmetro para probar diodos lo único que se desea saber es se el diodo tiene una resistencia pequeña con polarización directa y grande con polarización inversa. Los problemas que pueden surgir son:
  
  

  • Resistencia muy pequeña en ambas direcciones: diodo en cortocircuito.
  • Resistencia muy grande en ambas direcciones: diodo en circuito abierto.
  • Resistencia pequeña en inversa: diodo con fugas.

  Cómo calcular la resistencia interna r_B

  Para analizar con precisión un circuito con diodos se necesita saber la resistencia interna del diodo. Este valor generalmente no viene dada por separado en las hojas de características, pero traen información suficiente para calcularla. La formula para calcular la resistencia interna es:
  
  

  

  El punto 1 puede ser el punto umbral.
  EJEMPLO:1N4001
  De la hoja de características conseguimos los valores de la tensión con polarización directa (0,93 V) para un valor de la corriente de 1 A y la tensión umbral es de 0,7 V para una corriente aproximadamente cero.
  
  

  

  Resistencia en continua de un diodo

  Resistencia con polarización directa
  Resistencia con polarización inversa
  Siempre que se habla de continua, se quiere decir que es estática, que nunca cambia, es una "Resistencia Estática". En la zona de polarización directa se simboliza con R_F y en la zona de polarización inversa con R_R.
  Lo estudiaremos para el diodo 1N914:
  
  

  

  Resistencia con polarización directa
  En cada punto tenemos una resistencia distinta, esa resistencia es el equivalente del diodo en polarización directa para esos valores concretos de intensidad y tensión.
  
  Si comparamos este valor de resistencia con la resistencia interna:
  
  Como los 3 puntos tiene la misma pendiente quiere decir que para los 3 puntos el modelo es el mismo. Entonces la R_F anterior no es útil porque varía, pero la r_B no varía y por eso esta es la resistencia que se utiliza.
  Resistencia con polarización inversa
  Exageramos la curva de la gráfica para verlo mejor:
  
  

  

  Como en el caso anterior en cada punto tenemos una recta, por lo tanto un R_R (_R = Reverse, inversa)  para cada punto.
  
  

  

  Como es un valor muy grande, más o menos se puede considerar infinito (idealmente circuito abierto).
  Este valor no es útil, no se utiliza para hacer modelos o mallas, pero de forma práctica en el laboratorio puede ser útil (el polímetro marca la resistencia estática y se puede utilizar para detectar averías).
  
  

  

  Rectas de carga

  La recta de carga es una herramienta que se emplea para hallar el valor de la corriente y la tensión del diodo. Las rectas de carga son especialmente útiles para los transistores, por lo que más adelante se dará una explicación más detallada acerca de ellas.
  Estas son las distintas formas de analizar los circuitos con diodos:
  
  

  • EXACTA POR TANTEO: Ecuación del diodo exponencial y ecuación de la malla.
  • MODELOS EQUIVALENTES APROXIMADOS: 1ª aproximación, 2ª aproximación y 3ª aproximación.
  • DE FORMA GRÁFICA: Recta de carga.

  Hasta ahora hemos visto las 2 primeras, la tercera forma de analizarlos es de forma gráfica, esto es calculando su recta de carga.
  
  

  

  Si de la ecuación de la malla, despejamos la intensidad tenemos la ecuación de una recta, que en forma de gráfica sería:
  
  
  

  

  A esa recta se le llama "recta de carga" y tiene una pendiente negativa.
  El punto de corte de la recta de carga con la exponencial es la solución, el punto Q, también llamado "punto de trabajo" o "punto de funcionamiento". Este punto Q se controla variando V_S y R_S.
  Al punto de corte con el eje X se le llama "Corte" y al punto de corte con el eje Y se le llama "Saturación".
  
  

  Problemas

  Problema 3.1
  Problema 3.2
  Problema 3.1
  Un diodo está en serie con una resistencia de 220 W. Si la tensión en la resistencia es de 4 V, ¿cuál es la corriente por el diodo? Si hemos aplicado la 2ª aproximación, ¿cuál es la potencia disipada en el diodo?
  Solución:
  
  

  

  Al tomar la 2ª aproximación el diodo es una pila de 0,7 V.
  
  

  

  Problema 3.2
  Calcular la corriente, la tensión y la potencia en la carga, así como la potencia del diodo y la potencia total para el circuito de la figura. Hacerlo utilizando los tres tipos de aproximaciones que existen.
  
  

  

  Solución:
  1ª aproximación
  En esta aproximación el diodo es ideal, por lo tanto lo podemos sustituir por un cortocircuito, con lo que obtenemos las siguientes ecuaciones:
  
  

  

  2ª aproximación
  Aquí es diodo se sustituye por una pila de 0,7 V.
  
  

  

  3ª aproximación
  El diodo se sustituye por una pila de 0,7 V en serie con una resistencia de 0,23 W.