¿Qué es un diodo?, concepto, historia y polarización

Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que facilita el flujo de corriente eléctrica en un solo sentido, al tiempo que impide su paso cuando la corriente circula en dirección opuesta. Además de su función como conductor de corriente eléctrica, el diodo también actúa como un controlador y resistencia. Como resultado, el diodo puede encontrarse en dos posiciones posibles: polarización directa, cuando permite el flujo de corriente, y polarización inversa, cuando bloquea el flujo de corriente.

 

Introducción

El término "diodo" generalmente se utiliza para hacer referencia al diodo semiconductor, que es el tipo más comúnmente utilizado en la actualidad. Este diodo está compuesto por una pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. Por otro lado, existe el diodo de vacío, que en la actualidad ya no se utiliza, excepto en aplicaciones de alta potencia. Este diodo consta de un tubo de vacío con dos electrodos: una lámina como ánodo y un cátodo.

En términos simplificados, la curva característica del diodo (I-V) tiene dos regiones distintas. Por debajo de cierta diferencia de potencial, el diodo se comporta como un circuito abierto, lo que significa que no conduce corriente. Por encima de esta diferencia de potencial, el diodo se comporta como un circuito cerrado con una resistencia eléctrica muy pequeña. Debido a este comportamiento, a menudo se les llama rectificadores, ya que son dispositivos capaces de eliminar la parte negativa de una señal, lo cual es un paso inicial para convertir corriente alterna en corriente continua. Este principio de funcionamiento se basa en los experimentos realizados por Lee De Forest.

En el pasado, los primeros diodos eran conocidos como válvulas o tubos de vacío. Estas válvulas termoiónicas estaban compuestas por dos electrodos rodeados de vacío en un tubo de cristal, similar en apariencia a las lámparas incandescentes. El invento fue desarrollado en 1904 por John Ambrose Fleming, quien trabajaba para la empresa Marconi, basándose en observaciones realizadas por Thomas Alva Edison.

Similar a las lámparas incandescentes, los tubos de vacío contaban con un filamento, llamado cátodo, por el cual circulaba la corriente eléctrica, calentándolo debido al efecto Joule. El filamento estaba recubierto con óxido de bario, lo que provocaba la emisión de electrones al vacío circundante cuando se calentaba.

Estos electrones eran conducidos electrostáticamente hacia una placa, curvada por un muelle doble, que estaba cargada positivamente y se denominaba ánodo. De esta manera, se lograba la conducción de corriente. Es importante destacar que si el cátodo no se calentaba, no sería capaz de liberar electrones. Por esta razón, los circuitos que utilizaban válvulas de vacío requerían un tiempo para que las válvulas se calentaran antes de poder funcionar, y además, estas válvulas se quemaban con facilidad.

Historia

Aunque el diodo semiconductor de estado sólido ganó popularidad antes que el diodo termoiónico, ambos fueron desarrollados simultáneamente.

En 1873, Frederick Guthrie descubrió el principio de funcionamiento de los diodos térmicos. Observó que un electroscopio cargado positivamente se descargaba al acercarle una pieza de metal caliente, sin necesidad de que esta lo tocara. Sin embargo, esto no sucedía cuando el electroscopio estaba cargado negativamente, lo que indicaba que la corriente eléctrica solo fluía en una dirección.

Independientemente, el 13 de febrero de 1880, Thomas A. Edison redescubrió este principio mientras investigaba por qué los filamentos de carbono de las bombillas se quemaban en el extremo positivo. Construyó una bombilla con un filamento adicional y una lámina metálica dentro, eléctricamente aislada del filamento. Al utilizar este dispositivo, confirmó que fluía una corriente desde el filamento incandescente a través del vacío hacia la lámina metálica, pero solo cuando esta estaba conectada positivamente.

Edison diseñó un circuito que reemplazaba la bombilla por un resistor con un voltímetro de corriente continua y obtuvo una patente para este invento en 1884. En ese momento, el circuito no tenía una aplicación práctica clara, por lo que la patente probablemente era una precaución en caso de que alguien encontrara un uso para lo que se llamó el "efecto Edison".

Aproximadamente 20 años después, John Ambrose Fleming, quien era asesor científico de la compañía Marconi y antiguo empleado de Edison, se dio cuenta de que el efecto Edison podía utilizarse como un detector de radio de precisión. Fleming patentó el primer diodo termoiónico en Gran Bretaña el 16 de noviembre de 1904.

En 1874, el científico alemán Karl Ferdinand Braun descubrió la capacidad de los cristales semiconductores para conducir corriente eléctrica en una sola dirección. Braun patentó el rectificador de cristal en 1899. Los rectificadores de óxido de cobre y selenio se desarrollaron para aplicaciones de alta potencia en la década de 1930.

En 1894, el científico indio Jagdish Chandra Bose fue el primero en utilizar un cristal semiconductor para detectar ondas de radio. Greenleaf Whittier Pickard convirtió el detector de cristal semiconductor en un dispositivo práctico para recibir señales inalámbricas. Inventó un detector de cristal de silicio en 1903 y obtuvo una patente al respecto el 20 de noviembre de 1906.

Se realizaron experimentos con diversas sustancias, siendo la galena la más utilizada debido a su disponibilidad y bajo costo. Inicialmente, el detector de cristal semiconductor consistía en un cable ajustable, conocido como "bigote de gato", que se movía manualmente sobre el cristal para obtener la señal óptima. Este dispositivo problemático fue rápidamente superado por los diodos termoiónicos, aunque el detector de cristal semiconductor volvió a ser utilizado con la llegada de los diodos de germanio económicos en la década de 1950.

En la época de su invención, estos dispositivos eran conocidos como rectificadores. En 1919, William Henry Eccles acuñó el término "diodo" del griego "dia", que significa "separado", y "ode" (de ὅδος), que significa "camino".

Diodos termoiónicos y de estado gaseoso

Los diodos termoiónicos son dispositivos basados en válvulas termoiónicas, también conocidas como tubos de vacío. Consisten en un conjunto de electrodos encapsulados en un vidrio al vacío. Los primeros modelos eran muy similares a las lámparas incandescentes.

En los diodos de válvula termoiónica, una corriente atraviesa un filamento que se calienta indirectamente, lo que a su vez calienta el cátodo, otro electrodo interno tratado con una mezcla de bario y óxido de estroncio. Estas sustancias se eligen debido a su baja función de trabajo (algunas válvulas utilizan calentamiento directo, donde un filamento de tungsteno actúa como calentador y cátodo).

El calentamiento provoca la emisión termoiónica de electrones en el vacío. En la polarización directa, el ánodo está cargado positivamente, lo que atrae los electrones. Sin embargo, los electrones no se transportan fácilmente desde la superficie del ánodo que no está caliente cuando la válvula termoiónica está polarizada inversamente. Además, en este caso, cualquier corriente es insignificante.

Durante gran parte del siglo XX, los diodos de válvula termoiónica se utilizaron en aplicaciones de señales analógicas, rectificación de corriente y potencia. Actualmente, los diodos de válvula se emplean exclusivamente en aplicaciones específicas, como rectificadores en guitarras eléctricas, amplificadores de audio y equipos especializados de alta tensión.

Diodo semiconductor

Un diodo semiconductor moderno está hecho de cristal semiconductor como el silicio con impurezas en él para crear una región que contenga portadores de carga negativa (electrones), llamada semiconductor de tipo n, y una región en el otro lado que contenga portadores de carga positiva (huecos), llamada semiconductor tipo p. Las terminales del diodo se unen a cada región. El límite dentro del cristal de estas dos regiones, llamado una unión PN, es donde la importancia del diodo toma su lugar. El cristal conduce una corriente de electrones del lado n (llamado cátodo), pero no en la dirección opuesta; es decir, cuando una corriente convencional fluye del ánodo al cátodo (opuesto al flujo de los electrones).

Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p (Je). Al establecerse una corriente de difusión, aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe el nombre de región de agotamiento.

A medida que progresa el proceso de difusión, la región de agotamiento va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.

Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (VD) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V para los cristales de germanio.

La anchura de la región de agotamiento una vez alcanzado el equilibrio, suele ser del orden de 0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor.

Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa.

Polarización

Polarización directa de un diodo

En este caso, la aplicación de una batería reduce la barrera de potencial en la región de carga espacial, lo que permite el flujo de corriente de electrones a través de la unión. En otras palabras, cuando se polariza directamente, el diodo permite el paso de electricidad.

Para polarizar directamente un diodo, se debe conectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En esta configuración, se pueden observar los siguientes efectos:

• El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal tipo n, haciendo que se dirijan hacia la unión p-n.
• El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal tipo p, empujando los huecos hacia la unión p-n.
• Cuando la diferencia de potencial entre los terminales de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la región de carga espacial, los electrones libres del cristal tipo n adquieren suficiente energía para saltar hacia los huecos del cristal tipo p, los cuales se han desplazado previamente hacia la unión p-n.
• Una vez que un electrón libre de la región n salta a la región p a través de la región de carga espacial, se combina con uno de los huecos de la región p, convirtiéndose en un electrón de valencia. Después de esto, el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se mueve de átomo en átomo hasta llegar al extremo del cristal tipo p, donde se introduce en el conductor y finalmente llega a la batería.

De esta manera, al suministrar electrones libres desde la batería a la región n y atraer electrones de valencia desde la región p, se establece una corriente eléctrica constante a través del diodo hasta la batería.

Polarización inversa de un diodo

En este caso, al conectar el polo negativo de la batería a la región p y el polo positivo a la región n, se produce un incremento en la región de carga espacial y en la tensión en dicha región hasta alcanzar el valor de la tensión de la batería. A continuación, se explica el proceso en detalle:

• El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la región n, causando que salgan del cristal n y se introduzcan en el conductor, a través del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A medida que los electrones libres abandonan la región n, los átomos pentavalentes, que anteriormente eran neutros, adquieren estabilidad al perder un electrón en el orbital de conducción. Esto resulta en una carga eléctrica neta de +1, convirtiéndolos en iones positivos.
• Por otro lado, el polo negativo de la batería suministra electrones libres a los átomos trivalentes de la región p. Estos átomos, que originalmente tienen solo 3 electrones de valencia, forman enlaces covalentes con los átomos de silicio y tienen solo 7 electrones de valencia, lo que crea un hueco. Cuando los electrones libres suministrados por la batería ingresan a la región p, ocupan estos huecos, permitiendo que los átomos trivalentes alcancen estabilidad con 8 electrones en su orbital de valencia. Esto resulta en una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndolos en iones negativos.
• Este proceso se repite hasta que la región de carga espacial alcance el mismo potencial eléctrico que la batería.

En esta situación, en teoría, el diodo no debería conducir corriente. Sin embargo, debido al efecto de la temperatura, se generan pares electrón-hueco a ambos lados de la unión, lo que produce una pequeña corriente inversa de saturación en el orden de 1 μA. Además, existe una corriente superficial de fugas que se desplaza a través de la superficie del diodo.

En la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para formar los cuatro enlaces covalentes necesarios para alcanzar la estabilidad. Esto provoca que los átomos en la superficie del diodo, tanto en la región n como en la p, tengan huecos en su orbital de valencia, lo que permite el paso de electrones a través de ellos. Sin embargo, tanto la corriente inversa de saturación como la corriente superficial de fugas suelen ser insignificantes en la mayoría de los casos.