Materials Semiconductors i el Funcionament del Díode

1. Materials semiconductors

• Materials amb una resistivitat intermèdia entre conductors i aïllants.
• La seva propietat fonamental és que poden conduir o no l'electricitat segons determinades condicions (temperatura, tensió, llum...).
• Són la base de tots els components electrònics actius.

1.1 Tipus de semiconductors

• Intrínsecs: Són semiconductors purs (només silici o germani). La seva conductivitat és baixa i depèn molt de la temperatura. A baixes temperatures són aïllants.
• Extrínsecs: Són semiconductors dopats, és a dir, se'ls afegeixen impureses per millorar la seva conductivitat. N'hi ha de dos tipus:
  • Tipus N (Negatiu): Es dopa amb elements de 5 electrons (fòsfor, antimoni). Això crea un material ric en electrons lliures (portadors negatius).
  • Tipus P (Positiu): Es dopa amb elements de 3 electrons (bori, gal·li). Això crea un material ric en "forats" o "vacants" (absència d'electrons, que es comporten com a portadors positius).

2. El díode i la unió P-N

2.1. Formació de la unió

Quan unim un semiconductor tipus P amb un de tipus N, es produeix el fenomen de la difusió:

1. Els electrons lliures de la zona N (en excés) creuen a la zona P per ocupar els forats.
2. Aquesta migració crea una zona a cada costat de la unió on queden càrregues oposades sense compensar: càrregues positives a la zona N i negatives a la zona P.
3. Aquesta zona s'anomena barrera de potencial o zona de càrrega espacial.
4. Aquesta barrera impedeix que la difusió continuï.

2.2. Efectes de la barrera de potencial

• Crea una tensió llindar que cal vèncer perquè el díode condueixi.
• En un díode de silici, aquesta tensió és d'aproximadament 0,6 - 0,7 V.

3. Polarització del díode

3.1. Polarització directa (Conducció)

• Connexió: Positiu de la pila a la zona P (ànode) i negatiu a la zona N (càtode).
• Funcionament: El pol positiu empeny els forats de P cap a la unió, i el pol negatiu empeny els electrons de N. Si la tensió de la pila supera la barrera de potencial (0,6 V), la zona de càrrega espacial desapareix i el díode condueix el corrent.

3.2. Polarització inversa (Bloqueig)

• Connexió: Positiu de la pila a la zona N (càtode) i negatiu a la zona P (ànode).
• Funcionament: Els electrons de N són atrets pel positiu i els forats de P pel negatiu, allunyant-se de la unió. Això fa que la barrera de potencial s'eixampli i el díode no condueixi (actua com un aïllant).

4. Tipus de díodes

4.1. Díode Zener

• Està dissenyat específicament per treballar en polarització inversa.
• Quan la tensió inversa arriba a un valor anomenat tensió Zener (o punt de ruptura), el díode comença a conduir en inversa de manera controlada sense fer-se malbé.
• Aplicació principal: Estabilitzador de tensió (regulador). Manté una tensió constant malgrat les variacions de l'alimentació o de la càrrega.

4.2. Fotodíode

• És un díode sensible a la llum.
• Quan la llum incideix sobre la unió, excita electrons i crea parells electró-forat, augmentant el corrent que circula pel díode (en polarització inversa).
• Aplicació principal: Sensor de llum (en alarmes, controls d'il·luminació, etc.).

4.3. LED (Light Emitting Diode)

• És un díode que emet llum visible quan està polaritzat directament i circula corrent per ell.
• Funcionament: En polarització directa, els electrons "cauen" als forats alliberant energia en forma de fotons (llum). El color depèn del material.
• Característiques:
  • Tensió de treball baixa: 1,7 - 2 V.
  • Corrent de treball: Al voltant de 20 mA (cal una resistència per limitar-lo).
• Aplicacions: Senyalització, enllumenat (fars d'automòbil), pantalles, etc.