B1 · Diodos

I-V del diodo: una válvula que fluye en un solo sentido

¿Cómo cambia el flujo al aplicar una tensión externa a una unión pn? En esta unidad barres tú mismo la tensión de inversa a directa y compruebas la asimetría: la corriente se dispara en un solo sentido.

Barre la tensión y sigue la curva

Cambia con el control deslizante la tensión aplicada al diodo y el punto de trabajo se mueve por la curva, mientras la línea guía vertical marca la tensión de ese momento. En la zona inversa de la izquierda la curva es casi plana, y en la zona directa de la derecha se dispara a partir de cierto punto. Busca tú mismo dónde está esa rodilla en que se dobla.

Voltaje aplicado VV = -0.30 V

Corriente del punto de operación I

I ≈ -Is  (≈ 0)

La barrera ha subido aún más. Aparte de una diminuta corriente de saturación -Is, casi no circula nada.

Inverso · bloqueado

Un voltaje externo mueve la barrera

En A4 la unión levantó por sí sola una barrera interna. Ahora se le suma una tensión externa: positivo en el lado p y negativo en el lado n (polarización directa) y la tensión externa rebaja la barrera interna; conectada al revés (polarización inversa), la barrera sube aún más. Al final, lo que decide el flujo es la altura de la barrera que los portadores deben superar.

Directo: la corriente sube exponencialmente

El número de portadores que superan la barrera depende exponencialmente de su altura (la misma forma que el factor de Boltzmann de A1). Por eso basta con que la tensión directa baje un poco la barrera para que la corriente crezca de forma explosiva, y en un diodo de silicio la curva se dobla como una rodilla hacia 0,7 V y sube en vertical. Este es el término exp(V/VT) de la ecuación de Shockley.

ObservaI = Is (exp(V/VT) - 1)

La ecuación de Shockley contiene toda la corriente del diodo.

EligeVT = ? (≈ 26 mV)

El voltaje térmico es kT/q, unos 26 mV a temperatura ambiente.

CompletaV << 0 → I ≈ ?

En inversa profunda desaparece el término exponencial y solo queda -Is.

Por tu cuentaV >> VT → I ≈ ?

En directo el término exponencial domina y se dispara.

Inverso y rectificación

En inversa la barrera sube aún más, los portadores mayoritarios casi no pueden cruzarla y solo circula una diminuta corriente de saturación -Is. Así, el diodo es una válvula de un solo sentido que deja pasar una corriente grande en directa y casi 0 en inversa. Si se le aplica alterna, deja pasar solo los semiciclos positivos y la convierte en continua pulsante; eso es la rectificación, el primer paso con que un adaptador de corriente común convierte la alterna en continua. Con una tensión inversa demasiado grande, en cierto punto la corriente pasa de golpe: es la ruptura, que se trata en la unidad del diodo Zener.

De vuelta a la primera pantalla

Con el control en inversa la curva era plana, y al empujarlo hacia directa pasó la rodilla y se disparó. El mismo dispositivo, y un solo cambio en el sentido de la tensión cambió el flujo por completo. La raíz de esa asimetría es la barrera de A4. La tensión externa solo rebaja o sube la barrera, pero como el número de portadores que la cruzan responde de forma exponencial, la curva se dispara en un solo sentido. Esta válvula de un solo sentido es el núcleo de la rectificación, que convierte la alterna en continua.

Un diodo es una unión pn con tensión externa aplicada que actúa como válvula de un solo sentido. La polarización directa baja la barrera interna y la corriente crece de forma exponencial; la inversa sube la barrera y solo circula una diminuta corriente de saturación -Is. Esta asimetría de un solo sentido es la rectificación, que convierte la alterna en continua pulsante. La ecuación de Shockley es I = Is (exp(V/VT) - 1), con tensión térmica VT = kT/q.

Lo que sigue

Ya tienes una válvula de un solo sentido. En la siguiente unidad la usas para dar forma a señales: el recorte, que corta la parte que supera cierta tensión, y la fijación de nivel, que desplaza la línea base de toda la forma de onda. Un solo diodo que se enciende y se apaga se convierte en una herramienta para dar forma a las señales.