Díodo

En electrónica, un díodo é un compoñente electrónico de dous terminais que permite a circulación da corrente eléctrica a través del nunha única dirección. O termo adoita facer referencia a un díodo semicondutor, o tipo máis común actualmente. Este é unha peza cristalina de material semicondutor conectada a dous terminais eléctricos. Un díodo de tubo de baleiro (pouco empregado actualmente agás nalgunhas tecnoloxías de alta potencia) é un tubo de baleiro con dous eléctrodos: unha placa e un cátodo.

Imaxe dun díodo, onde se amosa o cristal semicondutor (obxecto negro á esquerda).

Varios díodos semicondutores. Abaixo: Unha ponte de díodos. En moitos díodos, unha banda branca ou negra identifica o cátodo (o terminal polo cal a corrente convencional flúe cando o díodo está conducindo.

Estrutura dun díodo de tubo de baleiro. O filamento pode estar sen protección ou, adoito (como se amosa aquí), incrustado e illado.

A función máis común dun díodo é permitirlle á corrente eléctrica pasar nunha dirección (coñecida coma o sentido directo) mentres bloquea a corrente na dirección oposta (a dirección inversa). Polo tanto, o díodo pódese ver coma unha versión electrónica dunha válvula sen retorno. Este comportamento unidireccional coñécese coma rectificación, e úsase para converter corrente alterna en corrente continua, e para extraer a modulación dos sinais de radio nos receptores de radio.

Porén, os díodos poden ter un comportamento máis complexo do que esta simple acción interruptora, debido ás súas complexas características eléctricas non-lineais, que poden ser modificadas variando a construción da súa unión P-N. Estas explótanse en díodos de propósitos especiais que levan a cabo moitas funcións diferentes. Por exemplo, empréganse díodos especializados para regular a voltaxe (díodo Zener), para axustar electrónicamente os receptores de radio e TV (díodo varactor), para xerar oscilacións de radiofrecuencia (díodo túnel) e para producir luz (díodo LED). Os díodos túnel teñen resistencia negativa, o que os fai útiles nalgúns tipos de circuítos.

Os díodos foron os primeiros dispositivos electrónicos semicondutores. O descubrimento das capacidades rectificadoras dos cristais foi levado a cabo polo físico alemán Ferdinand Braun en 1874. Os primeiros díodos semicondutores, chamados díodos de bigotes de gatos, desenvolvidos arredor de 1906, fixéronse de cristais minerais tales coma a galena. Hoxe, case tódolos díodos están feitos de silicio, mais ás veces empréganse outros semicondutores coma o xermanio.

Historia

Aínda que o díodo semicondutor de estado sólido popularizouse antes do díodo termoiónico, ambos se desenvolveron ao mesmo tempo.

En 1873 Frederick Guthrie descubriu o principio de operación dos díodos térmicos. Guhtrie descubriu que un electroscopio cargado positivamente podía descargarse ao achegarse unha peza de metal quente, sen necesidade de que este o tocase. Non sucedía o mesmo cun electroscopio cargado negativamente, reflectindo isto que o fluxo de corrente era posible soamente nunha dirección.

Independentemente, o 13 de febreiro de 1880 Thomas Edison redescobre o principio. Á súa vez, Edison investigaba por que os filamentos de carbón das lámpada se queimaban ao final do terminal positivo. El construíra unha lámpada cun filamento adicional e unha cunha lámina metálica dentro da lámpada, electricamente illada do filamento. Cando usou este dispositivo, confirmou que unha corrente fluía do filamento incandescente a través do baleiro á lámina metálica, pero isto só sucedía cando a lámina estaba conectada positivamente.

Edison deseñou un circuíto que substitúe a lámpada por un resistor cun voltímetro de corrente continua, e obtivo unha patente para este invento en 1884. Aparentemente non tiña uso práctico para esa época. Polo cal, a patente era probablemente para precaución, no caso de que alguén atopase un uso ao chamado efecto Edison.

Aproximadamente 20 anos despois, John Ambrose Fleming (científico asesor de Marconi Company e antigo empregado de Edison) deuse conta que o efecto Edison podería usarse como un radio detector de precisión. Fleming patentou o primeiro díodo termoiónico en Gran Bretaña o 16 de novembro de 1904.

En 1874 o científico alemán Karl Ferdinand Braun descubriu a natureza de conducir por unha soa dirección dos cristais semicondutores. Braun patentou o rectificador de cristal en 1899. Os rectificadores de óxido de cobre e selenio foron desenvolvidos para aplicacións de alta potencia na década de 1930.

O científico indio Jagdish Chandra Bose foi o primeiro en usar un cristal semicondutor para detectar ondas de radio en 1894. O detector de cristal semicondutor foi desenvolvido nun dispositivo práctico para a recepción de sinais inalámbricas por Greenleaf Whittier Pickard, quen inventou un detector de cristal de silicio en 1903 e recibiu unha patente diso o 20 de novembro de 1906. Outros experimentos probaron con gran variedade de substancias, das cales usouse amplamente o mineral galena. Outras substancias ofreceron un rendemento lixeiramente maior, pero o galena foi o que máis se usou porque tiña a vantaxe de ser barato e fácil de obter. Ao principio da era da radio, o detector de cristal semicondutor consistía dun cable axustable (o moi nomeado bigote de gato) o cal podíase mover manualmente a través do cristal para así obter un sinal óptima. Este dispositivo problemático foi rapidamente superado polos díodos termoiónicos, aínda que o detector de cristal semicondutor volveu usarse frecuentemente coa chegada dos económicos díodos de xermanio na década de 1950.

Na época da súa invención, estes dispositivos foron coñecidos como rectificadores. En 1919, William Henry Eccles acuñou o termo díodo do grego dia, que significa separado, e ode (de ὅδος), que significa camiño.

Díodos termoiónicos e de estado gaseoso

Símbolo dun díodo sen carga ou gaseoso. De arriba a abaixo, os seus compoñentes son, o ánodo, o cátodo, e o filamento.

Os díodos termoiónicos son dispositivos de válvula termoiónica (tamén coñecida como tubo sen carga), que consisten nun arranxo d]e eléctrodos empacados nun vidro ao baleiro. Os primeiros modelos eran moi parecidos á lámpada incandescente.

Nos díodos de válvula termoiónica, unha corrente a través do filamento que se vai a quentar quenta indirectamente o cátodo, outro eléctrodo interno tratado cunha mestura de bario e óxido de estroncio, os cales son óxidos alcalinotérreos; elíxense estas substancias porque teñen unha pequena función de traballo (algunhas válvulas usan quecemento directo, onde un filamento de tungsteno actúa como quentador e como cátodo). O quecemento causa emisión termoiónica de electróns no baleiro. En polarización directa, o ánodo estaba cargado positivamente polo cal atraía electróns. Con todo, os electróns non eran facilmente transportados da superficie do ánodo que non estaba quente cando a válvula termoiónica estaba en polarización inversa. Ademais, calquera corrente neste caso é insignificante.

Na maior parte do século xx, os díodos de válvula termoiónica usáronse en aplicacións de sinais análogos, rectificadores e potencia. Actualmente, os díodos de válvula soamente se usan en aplicacións exclusivas como rectificadores en guitarras eléctricas, amplificadores de son, así como equipo especializado de alta tensión.

Díodo semicondutor

Formación da rexión de esgotamento, na gráfica z.c.e.

Un díodo semicondutor moderno está feito de cristal semicondutor coma o silicio con impurezas nel para crear unha rexión que conteña portadores de carga negativa (electróns), chamada semicondutor de tipo n, e unha rexión no outro lado que conteña portadores de carga positiva (ocos), chamada semicondutor tipo p. Os terminais do díodo únense a cada rexión. O límite dentro do cristal destas dúas rexións, chamado unha unión PN, é onde a importancia do díodo toma o seu lugar. O cristal conduce unha corrente de electróns ao lado n (chamado cátodo), pero non na dirección oposta; é dicir, cando unha corrente convencional flúe do ánodo ao cátodo (oposto ao fluxo dos electróns).

Ao unir ambos os cristais, maniféstase unha difusión de electróns do cristal n ao p (J_e). Ao establecerse unha corrente de difusión, aparecen cargas fixas nunha zona a ambos os dous lados da unión, zona que recibe o nome de rexión de esgotamento.

A medida que progresa o proceso de difusión, a rexión de esgotamento vai incrementando a súa anchura profundando nos cristais a ambos os dous lados da unión. Con todo, a acumulación de ións positivos na zona n e de ións negativos na zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre os electróns libres da zona n cunha determinada forza de desprazamento, que se opoñerá á corrente de electróns e terminará deténdoos.

Este campo eléctrico é equivalente a dicir que aparece unha diferenza de tensión entre as zonas p e n. Esta diferenza de potencial (V_D) é de 0,7 V no caso do silicio e 0,3 V para os cristais de xermanio.^{[Cómpre referencia]}

A anchura da rexión de esgotamento unha vez alcanzado o equilibrio, adoita ser da orde de 0,5 micrómetros pero cando un dos cristais está moito máis dopado que o outro, a zona de carga espacial é moito maior.

Cando se somete ao díodo a unha diferenza de tensión externa, dise que o díodo está polarizado, podendo ser a polarización directa ou inversa.

Polarización directa dun díodo

Polarización directa do díodo pn

Neste caso, a batería diminúe a barreira potencial da zona de carga espacial, permitindo o fluxo de electróns a través da unión; É dicir, o díodo polarizado conduce directamente a electricidade.

Para que un díodo poida ser polarizado directamente, o polo positivo da batería debe estar conectado ao ánodo do díodo e ao polo negativo ao cátodo. Nestas condicións podemos observar que:

• O polo negativo da batería repele os electróns libres do cristal n, cos que estes electróns están dirixidos cara á unión p-n.
• O polo positivo da batería atrae os electróns de valencia do cristal p, isto equivale a dicir que empuxa os furados cara á unión p-n.
• Cando a diferenza de potencial entre os terminais da batería é maior que a posible diferenza na área de carga espacial, os electróns libres do cristal n, adquiren enerxía suficiente para saltar nos orificios do cristal p, que previamente cambiaron cara á unión pn.
• Unha vez que un electrón libre da zona n salta á zona p pola zona de carga espacial, cae nun dos múltiples buracos da zona p converténdose nun electrón de valencia. Unha vez que isto ocorre, o electrón é atraído polo polo positivo da batería e desprazase de átomo a átomo ata que alcanza o extremo do cristal p, desde o que entra no fío condutor e alcanza a batería.

Deste xeito, coa batería que proporciona electróns libres á zona n e atraendo electróns de valencia da zona p, a corrente eléctrica constante aparece ao final a través do díodo.

Polarización inversa dun díodo

Polarización inversa do díodo pn.

Neste caso, o polo negativo da batería conéctase á zona p e o polo positivo á zona n, o que fai aumentar a zona de carga espacial, e a tensión na devandita zona ata que se alcanza o valor da tensión da batería, tal e como se explica a continuación:

• O polo positivo da batería atrae os electróns libres da zona n, os cales saen do cristal n e introdúcense no condutor dentro do cal se desprazan ata chegar á batería. A medida que os electróns libres abandonan a zona n, os átomos pentavalentes que antes eran neutros, ao verse desprendidos do seu electrón no orbital de condución, adquiren estabilidade (8 electróns na capa de valencia, ver semicondutor e átomo) e unha carga eléctrica neta de +1, co que se converten en ións positivos.
• O polo negativo da batería cede electróns libres aos átomos trivalentes da zona p. Lembremos que estes átomos só teñen 3 electróns de valencia, co que unha vez que formaron as ligazóns covalentes cos átomos de silicio, teñen soamente 7 electróns de valencia, sendo o electrón que falta o denominado oco. O caso é que cando os electróns libres cedidos pola batería entran na zona p, caen dentro destes ocos co que os átomos trivalentes adquiren estabilidade (8 electróns na súa orbital de valencia) e unha carga eléctrica neta de -1, converténdose así en ións negativos.
• Este proceso repítese unha e outra vez ata que a zona de carga espacial adquire o mesmo potencial eléctrico que a batería.

Nesta situación, o díodo non debería conducir a corrente; con todo, debido o efecto da temperatura formaranse pares electrón-oco (ver semicondutor) a ambos os dous lados da unión producindo unha pequena corrente (da orde de 1 μA) denominada corrente inversa de saturación. Ademais, existe tamén unha denominada corrente superficial de fugas a cal, como o seu propio nome indica, conduce unha pequena corrente pola superficie do díodo; xa que na superficie, os átomos de silicio non están rodeados de suficientes átomos para realizar os catro enlaces covalentes necesarios para obter estabilidade. Isto fai que os átomos da superficie do díodo, tanto da zona n como da p, teñan ocos no seu orbital de valencia co que os electróns circulan sen dificultade a través deles. Con todo, do mesmo xeito que a corrente inversa de saturación, a corrente superficial de fuga é usualmente desprezable