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Diodos de unión p-n
Un diodo de estado sólido se forma cuando se unen dos piezas de
cristal semiconductor compuestas por átomos de silicio (Si) puro,
pero procesadas cada una de forma diferente. Durante el proceso de
fabricación del diodo ambas piezas se someten por separado a un
proceso denominado “dopado” consistente en añadirle a cada una
“impurezas” diferentes, procedentes de átomos de elementos
semiconductores también diferentes. 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.
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Concepto de “hueco” en el cristal de silicio
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Cristal de silicio (Si) puro dopado con otro
elemento. semiconductor diferente como el galio (Ga), por ejemplo,.
que se le añade como impureza. Observe el “hueco” que. queda en
la órbita externa del galio cuando comparte sus. siete electrones
con los del silicio. Como se puede. observar,. todos los átomos de
silicio comparten entre sí. sus. cuatro electrones
para completar así, formando. enlaces.
covalentes, los ocho que requieren todos los. átomos
en. su última órbita. Como se puede
apreciar también, el galio sólo
puede aportar siete electrones cuando. se une a la. estructura
molecular del silicio; por ese. motivo.
aparece un. espacio vacío o
“hueco” a falta del. octavo electrón. Ese. electrón
“faltante” lo aportará. posteriormente la fuente de. suministro
de energía. eléctrica,.
como puede ser una batería, a la que se conecte.
finalmente. el. cristal.
semiconductor.
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Durante el proceso de dopado, a una de las piezas de silicio que
formará después el diodo se le añaden algunas moléculas de otro
elemento semiconductor diferente al silicio, denominadas
“impurezas”. Esas moléculas, que en nuestro ejemplo serán de galio
(Ga), convertirán al cristal de silicio en un semiconductor
“tipo-p”, con polaridad positiva (P). Como resultado del
proceso de dopado, en la última órbita de los átomos de galio se
formarán “huecos” en aquellos sitios que debían estar
ocupados por los electrones que faltan para completar ocho.
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La segunda pieza de cristal de silicio puro se somete también al
proceso de dopado, pero esta vez añadiendo impurezas pertenecientes
a átomos de otro elemento semiconductor diferente, como antimonio (Sb),
por ejemplo. De esa forma se convierte en cristal de silicio
“tipo-n”, o sea, con polaridad negativa (N),
caracterizada por contener exceso de electrones en la última órbita
de los átomos de antimonio que se han añadido como impurezas.
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Cristal de silicio (Si) dopado con antimonio (Sb). Observe que
en la última órbita del antimonio aparecen nueve electrones en
lugar de ocho, o
sea, uno en exceso. Por. tanto, en este caso se
sobrepasa el número total de que se requieren para completar dicha
órbita. Ese electrón sobrante podrá moverse después libremente
dentro de la estructura atómica del cristal de silicio para
conducir la corriente eléctrica cuando se conecte una batería u
otra fuente suministradora de energía electromotriz. |
En resumen, una vez finalizado el proceso de dopado se habrán
obtenido dos piezas semiconductoras de cristal de silicio diferentes
entre sí: una positiva, “tipo-p” (P) con exceso de
“huecos” y, por tanto, con faltante de electrones, y otra negativa
“tipo-n” (N) con exceso de estos.
Formación de los diodos
semiconductores comunes de silicio
El siguiente paso para construir el diodo es unir la pieza de
conducción positiva “tipo-p” o “P” con la pieza de conducción
negativa “tipo-n” o “N”. De esa forma se obtiene un diodo
semiconductor de silicio de unión o juntura p-n, en el que la parte
positiva “P” constituye el “ánodo” (A)
y la parte negativa “N” el “cátodo” (K). Para
facilitar la conexión al circuito electrónico donde funcionará
posteriormente el diodo así formado, se le añade a cada uno de sus
extremos un terminal de alambre conductor para permitir que la corriente
eléctrica pueda atravesarlo.
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Figura esquemática de un diodo de unión o juntura p-n. La.
parte izquierda "P" es la positiva y corresponde al ánodo.
(A),. mientras que la derecha
"N" es la negativa y. corresponde al.
cátodo (K) . Abajo se muestra el símbolo.
general que identifica al diodo. |
Aunque en teoría los diodos de silicio de unión p-n se fabrican
uniendo dos piezas de silicio de polaridad diferente como se ha
expuesto más arriba, en realidad industrialmente se fabrican de una
sola pieza al mismo tiempo desde el principio hasta el final del
proceso de dopado. Durante ese proceso de producción se forman
simultáneamente dos regiones adyacentes, pero de signo contrario:
una positiva “P” y otra negativa “N”, evitando así tener
que unirlas posteriormente.
Los elementos que contiene un diodo de silicio se protegen de
factores externos que lo puedan deteriorar o afectar en su
funcionamiento posterior, introduciéndolos en unos casos dentro de
una cápsula de plástico y en otros casos dentro de un tubito de
cristal. Además, los elementos de los diodos concebidos para
soportar mayores cargas de corriente se protegen dentro de cápsulas
metálicas.
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Encapsulado de los diodos
semiconductores de silicio
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En la foto de la izquierda se pueden
apreciar diferentes diodos de silicio de varios tamaños y tipos con
sus respectivos encapsulados. Algunos se encapsulan en plástico
(como los de color
negro), mientras otros se encapsulan en cristal (como el de color naranja).
Los identificados como D1,
D2 y D7, por ejemplo, son. diodos
normales o convencionales, mientras DZ1 es un diodo Zener.
Por su parte D6 es un diodo de punta de contacto. En la foto de la derecha,
por el contrario, se muestran tres diodos de potencia con
encapsulado metálico. Compare el tamaño de esos diodos,
concebidos para soportar cargas de corriente y voltajes
de trabajo altos,
con los de la foto de la izquierda, que funcionan con voltajes y amperajes más
bajos. |
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