¿Que es un semiconductor?

En este post vamos a introducirnos en el mundo de los semiconductores, de vital importancia ya que constituye un altísimo porcentaje de componentes usados en electrónica, tales como diodos como es el caso que nos ocupa hoy, o bién transistores, triac, tiristores, circuitos integrados dedicados , microcontroladores etc.

Breve repaso

-Material conductor es aquel que es capaz de conducir la corriente eléctrica.

-Material aislante es aquel que no es capaz de conducir la corriente eléctrica.

Por lo tanto un material semiconductor será aquel capaz de conducir en unas condiciones controladas y de no conducir en otras, que veremos más tarde.

Materiales usados en los diodos de unión semiconductores

Los materiales semiconductores más usados son el silicio en primer lugar y en segundo lugar el Germanio.

El silicio tiene 14 protones en su núcleo y por lo tanto 14 electrones en sus orbitas dispuestos de la siguiente manera.

El silicio como diodo semiconductor

1ª Orbita 2 e-

2ª Orbita 8 e-

3ª Orbita 4 e-

Es decir en su órbita de valencia, su órbita más alejada del núcleo la tiene incompleta lo que lo hace un átomo inestable.

En estas circunstancias lo mismo le daría perder 4 electrones que ganar 4 para ser más estable, en el caso del silicio hace una cosa muy curiosa y es que se agrupa con otros cuatro átomos de silicio formando una retícula.

Átomo de silicio
Átomo de silicio

Este realiza 4 enlaces covalentes (electrones compartidos con sus vecinos) es decir cada electrón forma parte de dos átomos contiguos.

En esta nueva configuración el silicio ahora más estable, debería trabajar como un buen aislante, pero no es así ya que los enlaces covalentes se rompen cuando aumenta la temperatura provocando el salto de electrones de su última órbita de valencia dejando unos huecos, unas vacantes disponibles.

Si conectamos una batería externa a este material conseguiremos una débil corriente eléctrica en su interior debida a esos pocos electrones libres, con lo cual al ser tan débil esa corriente no la hace adecuada para aplicaciones en la electrónica.

Si lo deseas aquí tienes el articulo en formato vídeo

Semiconductor extrínseco de tipo N

Para hacer más eficiente este material semiconductor lo que se hace es inyectar impurezas de otro material que se llama antimonio Sb “vaya nombrecito” que tiene 5 electrones en su última capa con lo que al asociarse este con cuatro átomos de silicio quedará un electrón libre por lo que ya al tener una mayor concentración de electrones que de protones, esta zona quedará cargada de forma negativa se llamará de tipo N (negativa).

Semiconductor extrínseco de tipo P

Si cogemos silicio y inyectamos boro o Aluminio que tienen en su última capa de valencia 3 electrones conseguiremos que al asociarse con 4 átomos de silicio quede un hueco libre es decir hay un átomo que tiene una vacante, lo que provoca una mayor concentración de huecos esta parte pasará a llamarse zona de tipo P.

Diodo Unión

Pues bien ahora vas a entender el porqué de todo este rollo.

Si unimos una zona N con una zona P formaremos lo que se llama diodo, y su principal característica es que este dispositivo solo conduce en un sentido.

A continuación puedes ver el símbolo del diodo la parte de la raya es el cátodo o negativo y la parte de la flecha es el ánodo o positivo.

Diodo de unión
Diodo de unión

Mecánica de funcionamiento de un diodo de unión

Cuando unimos estas dos zonas los electrones de la zona N se ven atraídos por la gran cantidad de huecos disponibles de la zona P así que van hacia esta zona y al llegar a esta encuentran su hueco, esta corriente de electrones que salen de la zona N a la P provoca que haya una zona que debido a esa pérdida de electrones haya una mayor concentración de cargas positivas iones positivos  y al contrario en la zona p que se quedará cargada negativamente debido a que está aceptando electrones iones negativos esa diferencia de cargas genera una diferencia de potencial por eso a esta zona intermedia se llama barrera de potencial ya que llegado el momento actuara como barrera evitando que pasen más electrones de un sitio a otro.

0,7 voltios en el caso del silicio y 0,3 voltios en el caso del Germanio.

Polarización directa de un diodo de unión:

Es cuando se le conecta una batería o fuente de alimentación externa conectando el positivo de la batería al ánodo y negativo al cátodo en esta situación cuando el voltaje de la batería supera los 0,7 voltios en el caso del silicio los electrones de la zona N son capaces de pasar a la zona P, por lo tanto el diodo se comporta como un conductor.

Polarización inversa de un diodo de unión:

En la polarización inversa se conecta el cátodo del diodo a positivo y el ánodo a negativo.

Lo que ocurre entonces es que los electrones de la zona N se ven atraídos por el polo positivo de la batería y ya no intentan cruzar a la zona P ya que la atracción del polo de la batería es mayor por lo tanto no hay circulación de corriente ampliándose la zona de la barrera de potencial en la unión de las zonas N y P , también hay que decir que existe una pequeñísima corriente de portadores minoritarios de la zona P (electrones) que van hacia la zona N, pero al ser tan infima se considera despreciable comportanse el diodo como un aislante.

Curva diodo de unión
Curva diodo de unión

Aplicaciones más comunes de un diodo de unión

El diodo se usa como protección de inversión de polaridad, es decir para evitar que si por error alimentemos un dispositivo o aparato con el positivo en el negativo y viceversa no ocurra nada ya que este solo conduce cuando esta en polarización directa.

Como rectificadores en fuentes de alimentación, convertimos corriente alterna casi en continua 😉 como se puede apreciar en la imagen poniéndolos en disposición de puente obtenemos un rectificador de onda completa para ello necesitamos 4 diodos.

Vamos a ver paso a paso como es el proceso:

-Semiciclo positivo en este caso vamos a considerar que el terminal de abajo es negativo potencial cero con respecto al de arriba, la corriente parte desde aquí, llega al nodo D.

La corriente aquí ha de decidir que camino escoger 😉 si te fijas D2 tiene negativo en su ánodo por lo tanto está en polarización inversa por lo tanto no conduce la corriente a través de el, sin embardo D3 tiene negativo en cátodo por lo tanto al estar en polarización directa, la corriente atraviesa D3 y llega al nodo C aquí por D4 no puede continuar ya que este está en inversa por lo tanto el único camino que le queda es ir hacia la carga.

Una vez atraviesa la carga llegamos al nodo B como D2 está en polarización inversa ya que en su ánodo está a potencial cero, por lo tanto no queda más remedio que atravesar D1 que si está en polarización directa al llegar al nodo A recuerda que D4 está en inversa así que la corriente se dirige al terminal denominado +.

Puente de diodos semiciclo positivo
Puente de diodos semiciclo positivo

-Semiciclo negativo:

En este semiciclo el partimos del borne superior potencial cero, llegamos al nodo A aquí observamos que D1 está en inversa y d4 en directa por lo tanto la corriente lo atravesará hasta llegar al nodo C aquí puedes observar que D3 está en polarización inversa ya que al cátodo de D3 está puesto a un potencial mayor, con lo que la corriente se dirije hacia la carga, si te fijas aquí la corriente atraviesa la carga en el mismo sentido que en el semiciclo positivo, llegamos al nodo B si te fijas D1 está polarizado en inversa por lo que tiene que atravesar D2 al llegar al nodo D no le queda otro remedio que ir hacia el terminal con mayor potencial ya que D3 está polarizado en inverso.

Puente de diodos semiciclo negativo
Puente de diodos semiciclo negativo

Con el puente de diodos lo que hemos conseguido es darle la vuelta al semiciclo negativo como puedes observar en la figura

Salida puente de diodos
Salida puente de diodos

Y dirás pues esto no se parece mucho a una corriente contínua y llevas razón pero vamos a usar un componente para darle una ayudita a la transformación y para ello vamos a usar nuestro amigo el condensador colocado como se observa en la figura.

Filtrado a la salida del puente de diodos
Filtrado a la salida del puente de diodos

Se carga el condensador en la subida, como este tarda en descargarse  muchísimo más que el tiempo que tarda en bajar la tensión y volver a subir proveniente del puente de diodos, por lo que obtenemos una señal como esta de color verde.

señal semi filtrada puente de diodos
señal semi-filtrada puente de diodos
Señal totalmente filtrada dc
Señal totalmente filtrada dc

Espero que este post sobre el diodo de unión te haya gustado si lo deseas en la zona de descargas podras bajar esquemas y programas comprobados para cargarlos directamente en tu Arduino.