Electrónica de Potencia/Diodo de potencia/Estructura y principio de funcionamiento

Estructura

Figura 1. Estructura interna del diodo.

El diodo consiste fundamentalmente en la unión de dos piezas de cristal semiconductor compuestas por átomos de silicio puro, procesadas cada una de una forma diferente, de forma que una sea de tipo P (con carga positiva) y otra tipo N (con carga negativa). Para lograr esto, a las piezas se les añade algunas moléculas de otro elemento semiconductor, denominadas impurezas. Este proceso se denomina dopado. Al final del proceso se obtiene una pieza de cristal de silicio positiva (P) con faltante de electrones en su estructura atómica (lo que produce la aparición de “huecos”) y otra pieza negativa (N) con exceso de electrones.

Para finalizar el diodo, se añaden unos contactos a los extremos de la unión P-N que facilitarán la conexión al circuito donde vaya a ser utilizado. Por último se les introduce en un encapsulado de cristal o resina sintética para proteger la unión. Sin embargo, este proceso de construcción del diodo es utilizado solo en la teoría, ya que industrialmente se fabrican de una sola pieza formada por dos regiones con cargas opuestas. De esta forma se evita tener que unirlos posteriormente.

Principio de funcionamiento

Diodo de unión PN

Figura 2. Organización de la carga en el diodo.

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Al unir estas dos piezas obtenemos el diodo de unión PN. La región cargada positivamente y la cargada negativamente (figura 2) conforman la región de agotamiento de la unión PN, en la que esencialmente no hay electrones o huecos en movimiento. De esta forma, se obtiene un diodo semiconductor de silicio de unión PN, en el que la parte positiva (P) constituye el ánodo (A) y la parte negativa (N) el cátodo (K).

Diodo polarizado en inversa

Se dice que el diodo está polarizado en inversa cuando se aplica un voltaje positivo a la región N o cátodo ( y por lo tanto un voltaje negativo a la región P o ánodo). Esto provoca la aparición de un campo eléctrico que detiene a los huecos de la región P y a los electrones de la región N, por lo que no existe ninguna corriente que cruce la unión PN. A medida que aumenta este campo eléctrico, el numero de cargas positivas y negativas aumenta, lo que provoca un ensanchamiento de la región de agotamiento. Valores muy elevados del campo eléctrico pueden dar lugar al efecto avalancha, que se produce cuando se llega a la tensión de ruptura.

Diodo polarizado en directa

Se dice que el diodo está polarizado en directa cuando se aplica una tensión positiva en el ánodo, se generando un campo eléctrico que desplazará la carga positiva hacia la unión de las piezas, provocando un estrechamiento de la región de agotamiento. Esta zona impedirá la conducción hasta que no se supere la tensión de barrera o de codo. Una vez superada esta tensión, desaparece la región de agotamiento y el dispositivo conduce. Cuando esto ocurre se dice que el diodo esta en polarización directa.

Aproximaciones del diodo

Tomando en cuenta la característica corriente-voltaje del diodo de unión PN, se pueden distinguir tres aproximaciones del diodo:

Primera aproximación: el diodo ideal

Esta es la aproximación más simple. Cuando el diodo se encuentra polarizado en directa, este se comporta como un conductor perfecto, lo que supondría sustituir el diodo por un interruptor cerrado. Cuando el diodo se encuentra polarizado en inversa, este se comporta como un aislante perfecto, lo que supondría sustituir el diodo por un interruptor abierto.

Figura 3. Característica v-i del diodo ideal.
Figura 4. Comportamiento del diodo ideal polarizado en directa
Figura 5. Comportamiento del diodo ideal polarizado en inversa

Segunda aproximación

En esta aproximación se tiene en cuenta la tensión de codo, por lo que tenemos una característica tensión-corriente como la de la figura 6. Por lo tanto, tendremos un circuito similar al anterior, pero con una pila (de valor 0.7 V aproximadamente para el diodo de silicio). Para que el diodo esté en polarización directa (figura 7), el valor de la tensión ánodo cátodo debe superar el valor de la pila. En polarización inversa (figura 8) no se diferencia del diodo ideal.

Figura 6. Característica v-i del diodo. Segunda aproximación.
Figura 7. Comportamiento del diodo segunda aproximación polarizado en directa.
Figura 8. Comportamiento del diodo segunda aproximación polarizado en inversa.

Tercera aproximación

Esta aproximación es la más exacta de las tres, ya que se tiene en cuenta la resistencia interna y la tensión de codo del diodo (Figura 9). 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, como se muestra en la figura 10.

Figura 9. Circuito equivalente del diodo en la tercera aproximación.
Figura 10. Característica v-i del diodo. Tercera aproximación.

Referencias

Qué es un diodo

Véase también