UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE

NUEVO LEÓN

Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Electrónica 1

Actividad 4: Materiales semiconductores y el diodo

Nombre: ___________________________
Matrícula: 1730643.
Hora: __
Grupo: __
Materiales semiconductores
Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica
inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. El
semiconductor más utilizado es el silicio, que es el elemento más abundante en la
naturaleza, después del oxígeno.
Los átomos de silicio tienen su orbital externo incompleto con sólo cuatro
electrones, denominados electrones de valencia. Estos átomos forman una red
cristalina, en la que cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia con
los cuatro átomos vecinos, formando enlaces covalentes. A temperatura ambiente,
algunos electrones de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse
del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en
electrones libres. Si a estos electrones, que han roto el enlace covalente, se le
somete al potencial eléctrico de una pila, se dirigen al polo positivo.

Los semiconductores son materiales cuya conductividad varía con la temperatura,

pudiendo comportarse como conductores o como aislantes.
Resulta que se desean variaciones de la conductividad no con la temperatura sino
controlables eléctricamente por el hombre. Para conseguir esto, se introducen
átomos de otros elementos en el semiconductor.
Estos átomos se llaman impurezas y tras su introducción, el material
semiconductor presenta una conductividad controlable eléctricamente, Existen dos
tipos de impurezas, las P y las N, que cambian la conductividad del silicio y
determinan el tipo de cristal a fabricar.
Por tanto, como hay dos tipos de impurezas habrá dos tipos fundamentales de
cristales, cristales de impurezas P y cristales de impurezas tipo N.
Materiales tipo P y tipo N
Se les llama semiconductores de tipo P a los semiconductores contaminados
con impurezas aceptoras. Las impurezas aceptoras son aquellas que agregan un
hueco en el material. Estas son impurezas con 3 electrones en su órbita de
valencia.

Al tener solo 3 electrones queda una unión incompleta dejando un hueco para que
un electrón libre pueda tomar ese lugar. Este material es de tipo P debido a que la
conducción eléctrica se produce debido a su gran número de huecos (portadores
mayoritarios). Comparados con los electrones los huecos tienen polaridad positiva.

Los semiconductores tipo N son aquellos a los que se le agregan impurezas

donadoras (que donan un electrón). Estas impurezas suelen tener 5 electrones.
De estos 5 electrones 4 formarían una unión con los átomos vecinos y 1 quedaría
libre. 

De esta forma este material contiene un mayor número de electrones libres

comparados con los huecos libres. Este material es de tipo N debido a que la
conducción eléctrica se produce debido a su gran número de electrones
(Portadores mayoritarios) de polaridad negativa.
El diodo

Un diodo es un dispositivo semiconductor diseñado para que la corriente fluya en

un solo sentido, es decir, solamente permite que la corriente vaya en una sola
dirección. En forma ideal, un diodo conducirá corriente en la dirección definida por
la flecha (referente a la figura bajo este texto) en el símbolo y actuará como un
circuito abierto para cualquier intento de establecer corriente en la dirección
opuesta. En esencia: Las características de un diodo ideal son aquellas de un
interruptor que puede conducir corriente en una sola dirección.

Un diodo rectificador es un semiconductor de dos conductores que permite que la

corriente pase en una sola dirección.

Un diodo rectificador es útil para pasar sólo la mitad positiva o la mitad negativa de
una señal de corriente alterna (CA), mediante el proceso de rectificación.
Comúnmente los circuitos rectificadores son utilizados en el diseño de fuentes de
poder, donde la potencia de corriente alterna (CA) se debe transformar en
potencia de corriente directa (CD) lo cual es muy útil para circuitos electrónicos y
digitales.
Tipos de diodos rectificadores
Diodo rectificador imparcial (Unbiased)
Estos tipos de diodos rectificadores se usa cuando no se suministra voltaje a un
diodo rectificador, entonces se llama como un diodo imparcial, el lado N tendrá
una mayoría de electrones y muy pocos agujeros (debido a la excitación térmica),
mientras que el lado P tendrá una carga mayoritaria. Portadores de agujeros y
muy pocos números de electrones.

Diodo rectificador polarizado hacia delante (Foward bias)

Estos tipos de diodos rectificadores de polarización directa: en un diodo de unión

PN, el terminal positivo de una fuente de voltaje está conectado al lado tipo P, y el
terminal negativo está conectado al lado tipo N, se dice que el diodo está en
condición de polarización directa.

Los electrones son repelidos por el terminal negativo del suministro de voltaje de
CC y se desplazan hacia el terminal positivo. Entonces, bajo la influencia del
voltaje aplicado, esta deriva de electrones hace que la corriente fluya en un
semiconductor. Esta corriente se denomina “corriente de deriva”. Como los
portadores mayoritarios son electrones, la corriente en tipo n es la corriente de
electrones.

Diodo polarizado inverso (Reverse bias)

Tipos de diodos rectificadores de condición de polarización inversa: si el diodo es

el terminal positivo de la fuente de voltaje está conectado al extremo de tipo N, y el
terminal negativo de la fuente está conectado al extremo de tipo p del diodo, no
habrá corriente a través del diodo excepto corriente de saturación inversa.

Esto se debe a que, en la condición de polarización inversa, la capa de

agotamiento de la unión se ensancha al aumentar el voltaje de polarización
inversa. Aunque hay una pequeña corriente que fluye desde el extremo del tipo N
al tipo P en el diodo debido a los portadores minoritarios. Esta corriente se llama
corriente de saturación inversa.
Tipos de circuitos rectificadores
Existen distintos tipos de circuitos que sirven para aprovechar de distintas
maneras las propiedades del diodo rectificador, estos son los siguientes.

Rectificador de media onda.

El circuito rectificador de media onda nos permite convertir corriente alterna en

corriente continua, es el circuito más simple para explicar el concepto de
rectificación. Los rectificadores de media onda producen una mayor cantidad de
ondulaciones que los rectificadores de onda completa, por lo tanto, es
recomendable utilizar un condensador para suavizar y de esta manera eliminar la
frecuencia armónica de corriente alterna (CA) de la salida de corriente directa
(CD).

Rectificador de media onda con filtro por condensador.

Al agregar un condensador en paralelo a la carga (RL) al circuito como se muestra
provocará que la cantidad de ondulaciones presentes en la salida de corriente
directa (CD) se reduzca considerablemente. Para eliminar grandes cantidades de
frecuencias armónicas de corriente alterna en la salida de corriente directa se
puede reducir utilizando condensadores de mayor valor, pero existen límites tanto
en costo como en tamaño para los tipos de suavizado.
Rectificador de onda completa

El circuito rectificador de onda completa es un circuito en el que nos permite

aprovechar ambos semiciclos de la corriente alterna y obtener corriente directa,
aunque los resultados de las ondas aparentan ser similares a la rectificación de
media onda es posible observar diferencias y ventajas al emplear una rectificación
de onda completa, se puede observar niveles de intensidad superiores y la caída
de tensión es menor al aplicar una carga a nuestro circuito (En este caso la carga
sería RL). Para poder hacer una rectificación de onda completa es necesario un
transformador de toma central o cuatro diodos en la configuración de “puente de
diodos”. Es recomendable utilizar un transformador con toma central en el
devanado secundario, con esto se puede lograr una mayor eficiencia en la
rectificación de onda completa.

Puente rectificador
El puente rectificador o también conocido como puente de Graetz es un circuito
electrónico que produce una salida de corriente directa simular a un rectificador de
onda completa, este tipo de circuito requiere de cuatro diodos los cuales deben ser
colocados como se muestra en la Figura, el puente rectificador permite la
rectificación de onda completa de un transformador que no tenga una toma central
(tap central).
Polarización del diodo
El diodo semiconductor se forma uniendo simplemente material n con material p.
En el momento en que dos materiales se “unen”, los electrones y los huecos en la
región de la unión se combinarán, dando como resultado una carencia de
portadores en la región cercana a la unión.

Puesto que el diodo es un dispositivo de dos terminales, la aplicación de un voltaje

a través de sus terminales implica una de tres posibilidades:

1. No hay polarización (VD = 0 V)

2. Polarización directa (VD > 0V)
3. Polarización inversa (VD < 0 V)

En condiciones sin polarización, los huecos en el material tipo n que se

encuentran dentro de la región de agotamiento pasarán directamente al material
tipo p. Mientras más cercano se encuentre el portador minoritario a la unión,
mayor será la atracción de la capa de iones negativos. Se puede considerar que
algo similar sucede con los portadores minoritarios (electrones) del material tipo p.
En resumen, en ausencia de un voltaje de polarización aplicado, el flujo neto de
carga en cualquier dirección para un diodo semiconductor es cero.
En el caso de la polarización inversa, si un potencial externo de V volts se aplica
en la unión p-n de manera tal que la terminal positiva esté conectada al material
tipo n y la terminal negativa al material tipo p, el número de iones positivos
descubiertos en la región de agotamiento del material tipo n aumentará debido al
mayor número de electrones “libres” arrastrados hacia el potencial positivo del
voltaje aplicado. Por razones similares, el número de iones negativos descubiertos
se incrementará en el material tipo p. El efecto neto, en consecuencia, es un
ensanchamiento de la región de agotamiento. Dicho ensanchamiento de la región
de agotamiento establecerá una barrera demasiado grande como para que los
portadores mayoritarios puedan superarla, reduciendo efectivamente el flujo de
estos a cero.

Una condición de polarización directa o de encendido se establece aplicando el

potencial positivo al material tipo p y el potencial negativo al material tipo n.
Un diodo semiconductor está polarizado directamente cuando se ha establecido la
asociación entre tipo p y positivo de la fuente de alimentación, así como entre tipo
n y negativo. La aplicación de un potencial de polarización directa VD “presionará”
a los electrones en el material tipo n y a los huecos en el material tipo p, para
recombinar con los iones cerca de la frontera y reducir la anchura de la región de
agotamiento. Pero la reducción en la anchura de la región de agotamiento resulta
en un denso flujo de portadores mayoritario a través de la unión.
Diodo Zener
Los diodos zener están diseñados para mantener un voltaje
constante en sus terminales para esto debe ser polarizado
inversamente con un voltaje por arriba de su ruptura o voltaje
zener Vz. Cuando se llega al voltaje de ruptura el diodo zener
comienza a conducir en la dirección inversa. Se debe considerar
que es un elemento no lineal, por lo tanto, ΔVz no es
directamente proporcional a ΔIz.

La potencia máxima prevista para un diodo zener se especifica

como Pz = Vz ∙ Iz max. Es posible representar como una fuente de voltaje Vz y un
resistor Rz.

Son buenos candidatos para construir reguladores de voltaje simples o limitadores

de voltaje, esto por su capacidad de mantener un voltaje de CD estable en
presencia de una tensión variable de voltaje y con una resistencia de carga
variable.
Una de las principales características que identifican al diodo zener es la
polarización inversa, ya que un diodo común al ser polarizado inversamente actúa
como un circuito abierto, ya que corriente a través del diodo zener cambie, el
voltaje de salida permanece relativamente constante, es decir la variación de ΔIz y
ΔVz.
Los diodos Zener se pueden polarizar directamente y comportarse como un diodo
norma en donde su voltaje permanece cerca de 0.6 a 0.7 V.

Circuitos en serie y paralelo

 Diodo rectificador
  Diodo Zener
Se pueden conectar diodos zener en serie hasta
conseguir que la tensión suma de las nominales
sea igual a la tensión que es necesario estabilizar,
siempre que cada uno de los zener esté dentro de
sus especificaciones de corriente y de potencia
disipable.

En determinados casos en que no se dispone

de diodos Zener adecuados a las necesidades
del circuito, es posible conectar en paralelo
diodos Zener de igual tensión nominal, hasta
conseguir que la corriente máxima que se ha
de derivar sea menor que la suma de las Iz
máx. características de los diodos.