Fundamentos de Diodos y Semiconductores: Conceptos Clave y Aplicaciones

Diodo Ideal

3) ¿Cuál es la principal diferencia entre las características de un interruptor simple y un diodo ideal?

R: El diodo ideal puede conducir la corriente en una sola dirección, mientras que un interruptor simple permite el flujo en ambas direcciones cuando está cerrado y lo bloquea completamente en ambas direcciones cuando está abierto.

Materiales Semiconductores

4) Defina con sus propias palabras los siguientes conceptos: semiconductores, resistividad, resistencia del cuerpo del diodo y contacto óhmico.

R:

• Semiconductor: Es un material que posee un nivel de conductividad intermedio, situado entre el de un conductor y el de un aislante.
• Resistividad: Es una propiedad intrínseca de un material que mide su oposición al flujo de corriente eléctrica. Un material con baja resistividad permite fácilmente el paso de una carga eléctrica. Se utiliza para comparar los niveles de resistencia entre diferentes materiales.
• Resistencia del cuerpo del diodo: Es la resistencia inherente al material semiconductor que forma el cuerpo del diodo, afectando el flujo de corriente.
• Contacto óhmico: Es una unión entre un material semiconductor y un metal que presenta una resistencia lineal y simétrica al paso de la corriente, permitiendo un flujo de carga eficiente en ambas direcciones.

6) Explique por qué el cobre es un buen conductor y cómo su estructura atómica difiere de la del germanio y el silicio.

Lo que hace que un material sea un buen conductor es que sus electrones de valencia (por ejemplo, el cobre tiene un electrón en su última capa) están débilmente unidos al átomo y pueden moverse fácilmente a través del material, creando una corriente eléctrica. En contraste, materiales como el germanio y el silicio son semiconductores; sus electrones de valencia están más fuertemente unidos, requiriendo energía adicional para liberarse y conducir.

7) Defina los siguientes términos: semiconductores intrínsecos, extrínsecos, enlace covalente y coeficiente de temperatura negativo.

R:

• Semiconductores intrínsecos: Son aquellos que tienen un nivel muy bajo de impurezas, es decir, son materiales semiconductores en su estado más puro.
• Semiconductores extrínsecos: Son aquellos que han sido expuestos a un proceso de dopaje, es decir, se les han añadido intencionalmente impurezas para modificar sus propiedades de conductividad.
• Enlace covalente: Es un tipo de enlace químico establecido por el compartir de electrones entre átomos vecinos.
• Coeficiente de temperatura negativo: Indica que la resistencia de un material disminuye al aumentar la temperatura.

Semiconductores Extrínsecos: Tipos N y P

12) Describa la diferencia entre el semiconductor tipo N y el tipo P.

R:

• Material tipo N: Se forma mediante la adición de átomos donadores que tienen 5 electrones de valencia, lo que resulta en un alto nivel de electrones libres. En este tipo de material, el electrón es el portador mayoritario y el hueco es el portador minoritario.
• Material tipo P: Se forma mediante la adición de átomos aceptores con 3 electrones de valencia, lo que crea un alto nivel de huecos en el material. En este caso, el hueco es el portador mayoritario y el electrón es el portador minoritario.

13) Describa la diferencia entre las impurezas donadoras y aceptoras.

R:

• Impurezas donadoras: Son impurezas que se difunden en el material semiconductor y aportan 5 electrones de valencia, creando un exceso de electrones libres.
• Impurezas aceptoras: Son impurezas que se difunden en el material semiconductor y aportan 3 electrones de valencia, creando un exceso de huecos.

14) Describa la diferencia entre los portadores mayoritarios y minoritarios.

R:

• Portadores mayoritarios: Son los portadores de carga (electrones o huecos) que predominan en un material semiconductor, es decir, se encuentran en mayor cantidad.
• Portadores minoritarios: Son los portadores de carga (electrones o huecos) que se encuentran en menor cantidad en un material semiconductor.

Diodo Semiconductor

18) Describa en sus propias palabras las condiciones establecidas por la polarización directa y la polarización inversa en un diodo de unión PN y cómo afectan a la corriente resultante.

R:

• Polarización directa: Bajo esta condición, la corriente en el diodo se incrementa exponencialmente a medida que aumenta el voltaje aplicado a través del diodo, una vez superado el voltaje umbral.
• Polarización inversa: En esta situación, la corriente de saturación inversa en el diodo es muy pequeña (y se duplica aproximadamente por cada incremento de 10 °C en la temperatura), hasta que se alcanza la tensión de ruptura (o tensión Zener). En ese punto, una corriente significativa comienza a fluir en la dirección opuesta a la indicada por el diodo.

Voltaje Umbral

El voltaje umbral (o voltaje de encendido) es la tensión mínima requerida para que un diodo comience a conducir significativamente en polarización directa.

• Silicio: Aproximadamente 0.7 V (con capacidad de operar hasta 200 °C).
• Germanio: Aproximadamente 0.3 V (con capacidad de operar hasta 100 °C).

La única desventaja del silicio es la mayor tensión de polarización directa requerida para acceder a la región de alta conducción en comparación con el germanio.