Diodo Semiconductor

DIODO SEMICONDUCTOR

Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. Este término generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad; consta de una pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. El diodo de vacío (que actualmente ya no se usa, excepto para tecnologías de alta potencia) es un tubo de vacío con dos electrodos: una lámina como ánodo, y un cátodo.

Un diodo semiconductor moderno está hecho de cristal semiconductor como el silicio con impurezas en él para crear una región que contiene portadores de carga negativos (electrones), llamado semiconductor de tipo n, y una región en el otro lado que contiene portadores de carga positiva (huecos), llamado semiconductor tipo p. Las terminales del diodo se unen a cada región. El límite dentro del cristal de estas dos regiones, llamado una unión PN, es donde la importancia del diodo toma su lugar. El cristal conduce una corriente de electrones del lado n (llamado cátodo), pero no en la dirección opuesta; es decir, cuando una corriente convencional fluye del ánodo al cátodo (opuesto al flujo de los electrones).

Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p (Je). Al establecerse una corriente de difusión, estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe el nombre de región de agotamiento.

A medida que progresa el proceso de difusión, la región de agotamiento va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.

Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (VD) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V para los cristales de germanio.

La anchura de la región de agotamiento una vez alcanzado el equilibrio, suele ser del orden de 0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor.

Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización directa oinversa.

Polarización directa

Es cuando la corriente que circula por el diodo sigue la ruta de la flecha (la del diodo), o sea del ánodo al cátodo.

En este caso la corriente atraviesa el diodo con mucha facilidad comportándose prácticamente como un corto circuito.

Polarización inversa

Es cuando la corriente en el diodo desea circular en sentido opuesto a la flecha (la flecha del diodo), o sea del cátodo al ánodo.

En este caso la corriente no atraviesa el diodo, y se comporta prácticamente como un circuito abierto.

Aplicaciones del diodo

Los diodos tienen muchas aplicaciones, pero una de la más comunes es el proceso de conversión de corriente alterna (C.A.) a corriente continua (C.C.). En este caso se utiliza el diodo como rectificador.

PROCESO DE FABRICACIÓN DEL DIODO SEMICONDUCTOR

La fabricación del diodo semiconductor inició la era de la electrónica del estado sólido, su etapa primaria estaba basado en semiconductor de óxido de cobre, posteriormente se utilizó el germanio dopado y en la actualidad el silicio como monocristal dopado. El diodo se fabrica con dos tipos de semiconductores unidos entre si un tipo n y un tipo p.

La fabricación consiste en la difusión selectiva sobre una base de silicio para la formación de los dos tipos de semiconductores, el de tipo p que contiene elementos químicos neutros que tienen en la capa de valencia un electrón menos que el estado basal del silicio, entre ellos algunos elementos del grupo 3A de la tabla periódica el de tipo n tiene en la capa de valencia un electrón mas que el estado basal del silicio, ellos son los del grupo 5A . La característica eléctrica principal del diodo es que solo conduce en una dirección de uso valuable en conversión de corriente alterna a directa.

Una forma sencilla de describir la fabricación del diodo es que en una oblea de silicio “Substrato”, se dopa en la parte superior con material tipo n y la inferior con material tipo p, posteriormente ambas superficies se metalizan y se cortan para elaborar varias unidades de la misma oblea. En los diodos emisores de luz la oblea es de arseniuro de galio.

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.

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.

ENCAPSULADO DE LOS DIODOS SEMICONDUCTORES

PASO 1.- PROCESO DE PURIFICACIÓN

Obtención de Si puro

1) Materia prima: Sílice o dióxido de Silicio: SiO2 (muy abundante, arena de la playa).

2) Reducción del SiO2 a alta temperatura:

Silicio + Carbón a 2000ºC  Silicio metalúrgico, Si al 98%.

3) Si metalúrgico + ClH (Clorhídrico)SiHCl3 TricloroSilano

4) Destilación del SiHCl3

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