Diodo semiconductor: funcionamiento y tipos

CARLOS GOMEZ SALAZAR

Última revisión: diciembre 2012

INTRODUCCIÓN:

El diodo semiconductor no solo es de gran importancia en las aplicaciones
electrónicas modernas, sino que además la teoría de la unión n-p sirve como
fundamento en la comprensión de los dispositivos semiconductores. Pero antes de
ver qué es un diodo semiconductor, por qué rectifica, qué diferencia hay entre un
diodo rectificador y uno demodulador de AM, y qué es la corriente inversa de
saturación, el voltaje de ruptura y qué es el voltaje umbral, es conveniente comenzar
especificando cuál es la representación de la circulación de corriente eléctrica
que se utilizará.

En cada "rama" de un circuito (parte del circuito entre dos bifurcaciones o "nodos",
formada por alambres y componentes, todos conectados en serie uno con el
otro), puede haber solo una corriente eléctrica, caracterizada por su magnitud
("intensidad de corriente") que es un número real I con la unidad correspondiente
(ampere, A, para la corriente en el S.I. de unidades), y uno de los dos sentidos de
circulación (hacia uno u otro extremo de la rama). Se conviene en que el signo
positivo (o negativo) de la intensidad de corriente I indica que fluye en el mismo
sentido (o al revés) del indicado esquemáticamente por la flecha en los diagramas de
circuitos:

I> 0 A si fluye en el sentido indicado;
o bien, I < 0 A cuando fluye al revés.

UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 1

Pero hay que convenir además si la corriente I representa un flujo de cargas
positivas o de cargas negativas.
Desde el punto de vista de la energía de las cargas en un punto del circuito, el
problema es análogo al caso de la masa m de un cuerpo en el campo
gravitatorio g de la Tierra, donde el cuerpo sufre una variación de altura
Δhcayendo hacia una energía potencial gravitacional (mgh+constante) menor:Los
portadores de carga eléctrica q de un circuito fluyen hacia un voltaje V donde tienen
una energía potencial eléctrica U (= qV+constante) menor

Pero en el caso del Electromagnetismo, a diferencia de la Gravitación, existe la
repulsión y pueden haber portadores de cargas positivas (q > 0 C) y negativas (como
los electrones libres en un metal, que tienen carga q = -e < 0 C). Para unas la
variación de voltaje ΔV tiene un signo, y para las otras (que circulan al revés)
ΔV tiene el signo opuesto. Pero como ambos factores (q y ΔV) cambian de signo,
entonces la variación ΔU = qΔV de energía potencial U es igual en ambos casos, y
entonces resulta que respecto del voltaje hay dos formas equivalentes de representar
la misma corriente:

(i) Cargas positivas yendo hacia un voltaje menor
(ii) cargas negativas yendo hacia un voltaje mayor

Aquí se adopta la primera, que es la convención más difundida:

I representa la circulación de cargas eléctricas positivas fluyendo hacia un voltaje
menor

Diodo


Diodo en primer plano. Nótese la forma cuadrada del cristal semiconductor (objeto negro de la izquierda).

Tipo Semiconductor

Principio de funcionamiento Efecto Edison

Fecha de invención John Ambrose Fleming (1904)

Símbolo electrónico

Configuración Ánodo y Cátod


Entonces la corriente I > 0 A sale del borne de mayor potencial de la fuente de
voltaje (indicado con "+"), pasa a través de todos los elementos del circuito
("cayendo" a un voltaje menor), y entra por el borne negativo de la fuente.
En el caso de los conductores (metales), la verdadera "corriente física" de cargas
eléctricas circula al revés que la "corriente convencional" I > 0 A que se representa
en los esquemas (como se muestra en la Figura).


fig. 1: Diagrama esquemático de una fuente de voltaje ideal conectada a un resistor.
En el circuito se indica el sentido de circulación de la corriente eléctrica de
intensidad I > 0 A, según la convención adoptada (circulando al revés que
los electrones libres dentro del material conductor del resistor).
Hay que enfatizar que "dentro" de la fuente de voltaje (que es el elemento que
realiza trabajo para mantener la circulación de cargas a través de un medio
disipativo), la corriente I > 0 A va desde el borne "-" al borne "+". A la fuente de
voltaje se la denomina "Fuerza Electromotriz" (FEM), y en su interior las cargas son
llevadas (mediante la transformación de alguna forma de energía) a una energía
potencial mayor.
Pero "fuera" de la FEM, sobre cada elemento pasivo del circuito, la corriente I > 0 A
va al revés (desde "+" hacia "-"). Estos voltajes o diferencias de potencial eléctrico
se denominan "caídas de voltaje", porque corresponden a una corriente de cargas
que "caen" hacia una energía potencial inferior, en un voltajemenor.
En el caso de la corriente de cargas negativas dentro de un metal, fuera de la FEM
también caen a una energía potencial inferior, pero fluyendo hacia un voltaje
mayor.
DIODO SEMICONDUCTOR (Diodo de unión n-p y diodo Schottky)


1-QUÉ ES

Un rectificador de corriente eléctrica o "DIODO" es un componente electrónico de 2
(o más) terminales o electrodos, que solo permite la circulación de la corriente en un
solo sentido, que para cargas eléctricas positivases desde el electrodo "A" de mayor
potencial eléctrico (denominado ánodo), hacia el electrodo "K" de menor potencial
(denominado cátodo). Por lo tanto un diodo es, en general, un componente
unidireccional, asimétrico.

Un rectificador perfecto es el que para cualquier voltaje aplicado, no conduce
absolutamente ninguna corriente de cargas positivas desde K hacia A, mientras que
al revés, conduce cualquier valor infinitamente grande de corriente.

Existe un conjunto muy grande de rectificadores semiconductores y dispositivos
relacionados con características físicas y geométricas propias, según la
función que deban realizar.
Los primeros componentes electrónicos que dominaban la Electrónica a mediados
del Siglo XX, fueron las"válvulas" termoiónicas, también denominadas "lámparas" o
"tubos" termoiónicos. El voltaje de la "placa" (nombre del ánodo de las válvulas) es
suficientemente mayor al del K como para que electrones del K abandonen el metal,
y formen una corriente interior desde el K hacia la placa. Por lo tanto todas las
válvulas rectifican corriente eléctrica. La más simple, el diodo termoiónico, posee 2
terminales para los electrodos (K y placa) y otros 2 terminales para un calefactor del
K (En algunas válvulas el calefactor también actúa de cátodo). El diodo termoiónico
se usa específicamente para rectificar, mientras que otros tipos de válvulas tienen
más terminales para realizar otras funciones (como por ejemplo amplificar).
Con el desarrollo de la Electrónica de "Estado Sólido" a partir de la concepción de la
Física Cuántica (entre 1900 y 1927), la invención del transistor bipolar (de contacto
en 1947 y de unión en 1951) y la fabricación de transistores (a partir de 1954), en la
segunda mitad del Siglo XX comenzaron a desarrollarse una infinidad de
componentessemiconductores, y entre ellos, muchos tipos especiales de
rectificadores. A uno de los dos más simples se lo conoce simplemente como "diodo
rectificador (semiconductor)".


Fig. 2: Fuente de voltaje alterno VAC alimentando una resistencia RL de carga a
través de (a) un diodo termoiónico (omitiendo el calefactor y su circuito) y (b) un
diodo de estado sólido. En ambos circuitos, debido al efecto del rectificador,
a RL solo llegan los semiciclos positivos de VAC. Estos dos componentes son los
rectificadores más elementales de cada generación de
dispositivoselectrónicos. Por su propiedad más importante (conducir corriente
en un sentido y bloquearla en el otro), el símbolo electrónico del diodo
semiconductor es una "flechita" en el sentido de circulación "directo" (forward en
inglés), desde A hacia K. El sentido correspondiente a voltajes negativos, se
denomina "inverso"(reverse).
Por su propia construcción física, aunque se pueda hablar de voltaje inverso, en las
válvulas termoiónicas no existe ninguna corriente inversa. En los dispositivos de
estado sólido esto es diferente. No solo existe una corriente inversa, sino que además
es muy importante en el funcionamiento de muchos dispositivos (por ser muy
sensible a la iluminación y a la temperatura).
Este artículo trata de los 2 tipos más simples de rectificadores modernos
(semiconductores) mostrados en la Figura siguiente, compuestos por (la unión o
contacto de) dos materiales:
(1) Diodos de "Unión Semiconductor-Semiconductor": son los más conocidos
(comúnmente llamados "diodos rectificadores"), constituidos por la unión de un
semiconductor dopado tipo-n con un semiconductor del mismo material
pero tipo-p (diodos de "unión n-p");

(2) Diodos de "Barrera Schottky Metal-Semiconductor" o "Diodos Schottky": son
los primeros que existieron (llamados "diodos de señal"), constituidos por un metal
y un semiconductor dopado tipo-p. Estos 2 materiales suelen estar ligados mediante
un contacto puntual o por una unión física, como por ejemplo mediante difusión.


Fig. 3: Muestra de los dos tipos de diodos semiconductores más comunes y simples:
un diodo rectificador 1N4007, de unión n-p de silicio (con encapsulado plástico) y
dos diodos de señal 1N60, Schottky de germanio (con encapsulado de vidrio). En el
símbolo de este último, el K se indica con una"S"de "Schottky".
En el Apéndice "Otros diodos y dispositivos relacionados", se mencionan por
comparación algunos tipos especiales de rectificadores de estado sólido con
estructura más compleja, como diodos zener, varactores, diodostúnel, diodos
reguladores de corriente (CRDs), diodos Shockley, DIACs, diodos emisores de luz
(LEDs), fotodiodos, fotoceldas y algunos rectificadores de 3 terminales que no son
realmente diodos (o son algo más que diodos), pero que en algún sentido están
relacionados a los rectificadores (como los SCRs, los TRIACs y los
diodos zenerprogramables).

2-PARA QUÉ SIRVE
(1) El rectificador más conocido es el "DIODO DE UNIÓN n-p" o
simplemente "DIODO RECTIFICADOR". En algunas de sus aplicaciones se usa
solamente la propiedad de conducir corriente en un sentido y bloquearla en el otro.
En otras se usa la propiedad del aumento brusco de la corriente con el voltaje al
alcanzar sus valores límite de voltaje (ruptura en inverso, y umbral en directo) y en
otras la dependencia del voltaje directo con la temperatura. Por ejemplo:
(1.1) Rectificadores de Voltaje y de Corriente: Esta es la aplicación más extendida y
conocida de un rectificador, donde 1, 2 ó 4 diodos conectados al secundario de un
transformador de una fuente de alimentación, sirven para convertir corriente alterna
(AC, Altern Current) en corriente con una sola polaridad, para después (con otros
elementos de circuito), convertirla finalmente en corriente continua (DC, Direct
Current).


Fig. 4: Diagramas esquemáticos de fuentes AC de voltaje Vi (bobinado secundario
de un transformador) con rectificadores. El voltaje de salida Vo corresponde a: (A)
media onda implementada usando un bobinado simple con 1 diodo; (B) onda
completa, bobinado simple con 4 diodos, (C) onda completa, bobinado de punto
medio con 2 diodos; y (D) rectificador bipolar de onda completa simétrica, bobinado
de punto medio con 4 diodos.
Los diodos rectificadores también se usan en paralelo con un interruptor, para
reducir a la mitad la potencia de calefactores en diversos aparatos (soldadores,
secadores de pelo, estufas, etc.), ya que durante medio ciclo (la mitad
deltiempo) no conducen.
(1.2) Compuertas Lógicas: Con diodos rectificadores y transistores se pueden
implementar configuraciones que se comportan como "circuitos lógicos", realizando
las operaciones básicas (not, or y and, o las universales nor y nand), y
combinaciones de ellas. Estos circuitos se usan en indicadores luminosos, en
sistemas de control electrónico, en conmutación activación de relays.
(1.3) Multiplicadores de Voltaje: Conectando diodos rectificadores y condensadores,
se pueden implementar configuraciones de alto voltaje que cargan los condensadores
en los semiciclos AC, aumentando el voltaje entre dos puntos dados del circuito. Se
utilizan en fuentes de alto voltaje (como por ej. las fuentes de TVs y de ozonizadores
de aire en hospitales y de agua en piscinas).


Fig. 5: Diagramas esquemáticos de un duplicador de voltaje y de un multiplicador de
voltaje extendible, a partir de una fuente de voltaje AC Vi(t) de amplitud VM,
condensadores y diodos rectificadores. En el segundo circuito, cada condensador
queda cargado con VM y, donde se unen el diodo y el condensador n-ésimos, se tiene
el voltaje de salida Vo = nVM.
(1.4) Reguladores de voltaje y Protectores de Sobrevoltaje: Los diodos rectificadores
pueden limitar el voltaje de 3 modos diferentes: sin conducir en inverso (A en la Fig.
siguiente), sin conducir en directo (B), y conduciendo en directo (D). Un cuarto
modo es limitar el voltaje conduciendo en inverso, que se realiza con un diodo
especial, denominado zener (C en la Figura).


Fig. 6: Curva característica de un diodo, indicando cuatro puntos de trabajo de
protectores de sobretensión (A y B) y reguladores de voltaje (C y D) utilizando un
diodo, con los correspondientes diagramas esquemáticos de los circuitos. En A y en
C se utiliza el voltaje inverso de ruptura VBR como límite de voltaje, mientras que en
B y en D el voltaje umbral Vγ. En A y en B el diodo no conduce (actúa
como protector de sobrevoltaje), mientras que en C y en D el diodo deja pasar
corriente fijando el voltaje (actúa como regulador de voltaje). A, B y D se
implementan con un diodo rectificador común, mientras que C tiene un diodo zener.
(a) Protección por voltaje de ruptura VBR (ó VRMax), conectado en inverso sin
conducir (A en la Fig. anterior): Esta configuración se fundamenta en que la curva
característica I vs. V en inverso tiene un "voltaje de ruptura" VBR(breakdown,
típicamente ≈ 2-1000 V dependiendo del tipo de diodo) y una pendiente muy
pronunciada (zona de avalancha). Esto significa que cuando no se alcanza ese
voltaje, el diodo tiene una resistencia muy grande (no conduce), pero cuando un
transitorio de voltaje intenta sobrepasar el valor de ruptura, el diodo se vuelve
conductor (con muy baja resistencia) en sentido inverso, manteniendo al voltaje
cercano al de ruptura.
Conectando entonces al diodo en oposición y en paralelo con el circuito que se desea
proteger, ante un sobrevoltaje de tensión transitorio y que supere el voltaje de
ruptura, el diodo deja pasar corriente (en inverso) "absorbiendo" el transiente en una
fracción de microsegundo (y posiblemente fundiendo algún fusible para interrumpir
el funcionamiento).
Para AC se conectan dos diodos en "anti-serie" (en serie pero uno en oposición con
el otro), y el conjunto anti-serie conectado en paralelo con el circuito que se desea
proteger. De las dos barreras en serie, limita la mayor, la de ruptura. De este modo,
durante una sobretensión que supere VBR, según su polaridad, uno deja pasar
corriente en directo y el otro en inverso, impidiendo que aumente voltaje.
En general los rectificadores no se usan de este modo, ya que no están preparados
para conducir en sentido inverso. Por eso, cuando los diodos rectificadores
(comunes) se usan así, es para transientes no repetitivos.
(b) Protección por voltaje umbral Vγ, conectado en directo pero sin conducir (B en la
Fig. anterior): Esta configuración es similar a la anterior pero para protección contra
sobrevoltajes muy pequeños. Se fundamenta en que la curva característica I vs. V en
directo tiene un "voltaje umbral" Vγ (threshold) y una pendiente muy pronunciada
(En diodos de germanio (Ge) es VγGe ≈ 0.25 V y en diodos de silicio (Si) es VγSi ≈
0.6 V). Conectando entonces al diodo en directo y en paralelo con el circuito que se
desea proteger, ante un voltaje transitorio y que tienda a superar el umbral, el diodo


conduce "absorbiendo" el transiente.
Para AC se conectan dos diodos en "anti-paralelo" (back-to-back), y el conjunto
anti-paralelo conectado en paralelo con el circuito que se desea proteger. En
paralelo, la barrera que limita es la menor, la del voltaje umbral (ya que en general,
para los rectificadores, el voltaje umbral es mucho menor que el voltaje de ruptura).
De este modo, durante la sobretensión, según su polaridad, uno de los diodos deja
pasar corriente en directo, impidiendo que aumente demasiado el voltaje
Esta protección es utilizada para voltajes relativamente bajos. Para mayores voltajes
y potencias, en vez de utilizar varios diodos, se utiliza un varistor (VARiable
resISTOR), también denominado VDR (Voltage Dependent Resistor). El más
común es el MOV (Metal Oxide Varistor), fabricado con material policristalino
sinterizado compuesto de óxidos de zinc (Zn) con óxidos de bismuto (Bi), cobalto
(Co) y manganeso (Mn). Este material tiene uniones semiconductoras entre granos,
por lo tanto se puede modelar como un conjunto o arreglo de diodos en serie y en
paralelo.

(c) Regulador de voltaje mediante voltaje umbral Vγ, conduciendo en directo (D en
la Fig. anterior): En paralelo con el circuito que se desea proteger, funciona como
"anclaje" de voltaje (clamp diode). La regulación de voltaje directo no es muy
buena, pero de todos modos, porcentualmente es muy superior a las variaciones
relativas de la corriente.
Para regular simétricamente circuitos de AC de este modo, se colocan en anti-
paralelo. Cuando se requiere que actúe a voltajes mayores, se colocan más diodos en
serie, y para aumentar la capacidad de absorber corriente, se colocan.
Para una mejor regulación de voltaje, en vez de esta configuración conduciendo en
directo, es más común utilizar un solo diodo zener conduciendo en inversa (como en
C de la Figura anterior). La curva característica en la zona inversa de ruptura es
mucho más pronunciada que la zona de conducción directa (como se ve con el
trazador de curvas en un Apéndice al final), por lo que un zener tiene mejor
regulación de voltaje. Además se consiguen diodoszener de varios voltajes (cosa que
no sucede con los voltajes umbral).
(1.5) Transductores de temperatura a voltaje: Los diodos semiconductores
rectificadores son muy fáciles de usar en termometría industrial y en laboratorios,
como termómetros pequeños, rápidos, confiables, de gran exactitud y repetibilidad,
incluyendo muy bajas temperaturas.
La termometría usando diodos semiconductores está basada en la dependencia del
voltaje directo VF(T, IF) con la temperatura T y la corriente directa IF en una unión
n-p. Para que solo dependa de T, se usa una pequeña corriente eléctrica constante,


típicamente IF ≡ 10 μA (±0.1%), lo suficientemente baja como para no sobrecalentar
ni el dispositivo ni el sistema donde se mide T, y lo suficientemente alta como para
que la magnitud de VF sea relativamente grande (del orden de 100 mV ó superior)
para ser "leída" con un circuito electrónico standard.

La "curva de respuesta con la temperatura" VF(T) de una unión n-p con Ge o con Si,
es relativamente lineal solamente en rangos pequeños de temperatura. Pero con la
Electrónica moderna, la alinealidad no es un problema. Muchos controladores de
temperatura tienen un algoritmo PID y un termómetro formado por el diodo sensor
de temperatura, con los puntos (VF, T) obtenidos en una calibración previa,
guardados en la memoria.


Fig. 7: Diagrama esquemático de curvas características Corriente vs. Voltaje de un
diodo a una misma corriente IFpero a diferentes temperaturas (T1 < T2 < T3 < T4), y
representación de su respuesta Voltaje directo vs. Temperatura. En la parte inferior
se muestra el esquema básico usado en termometría.
Por ejemplo el sensor de temperatura DT-670 Lake Shore es un diodo de Si
especificado para funcionar entre 1.4 y 500 K (0 K ≡ -273.15 oC), se puede usar bajo
campo magnético por sobre los 60 K, y posee una respuesta media con la
temperatura aproximadamente lineal en dos tramos:
(a) dVF/dT ≈ -22.6 mV/K en el rango 1.4K ≤ T ≤ 23K (1.644290V ≥ VF ≥
1.140817V)
(b) dVF/dT ≈ -2.1 mV/K en el rango 23K ≤ T ≤ 500K (1.140817V ≥ VF ≥
0.090681V)
A continuación se muestran partes de las curvas características I vs. V de algunos
componentes, utilizando elHameg HM6042-1 (V2.01) Curve Tracer. Con este
instrumento trazador de curvas, de los 4 cuadrantes (I y IV para polarización directa;
Cuadrantes II y III para polarización inversa), solo se puede ver un cuadrante
por vez.
En el eje vertical Y el instrumento representa la corriente en 8 divisiones (div.Y)
que, según la escala seleccionada, 2, 20 y 200 mA, representan 0.25,2.5 y 25
mA/div.Y respectivamente.
En el eje horizontal X el instrumento representa el voltaje en 10 divisiones (div.X)
que, según la escala seleccionada, 2, 10 y 40 V, representan 0.2, 1 y 4 V/div.X
respectivamente.


Fig. 8: Cuadrante I de la curva característica de un diodo rectificador 1N4007 de
silicio en el trazador de curvas (25mA/div.Y; 0.2V/div.X). Se observa un voltaje
umbral Vγ < 0.66 V, a partir del cual comienza a conducir.
(2) El siguiente diodo semiconductor es el DIODO SCHOTTKY, el primer
rectificador, el primer demodulador de radio de amplitud modulada (AM), el primer
componente electrónico, y también el primer componente de estado sólido de la
Historia. Es un componente que además de su propiedad de rectificar en directo y
bloquear en inverso, tiene la propiedad de tener una barrera de potencial muy baja,
lo que se asocia a una velocidad de conmutaciónalta (para pasar del estado de
"conducción" en directo, al estado "bloqueado" en inverso), y por lo tanto útil
enaplicaciones de alta frecuencia. De hecho, para distinguirlos de los demás diodos,
en las tiendas de Electrónica se los conoce como diodos "de señal", debido a su
extendida aplicación como detectores (o demoduladores) parademodular la onda de
radio de AM (i.e., obtener la señal de AF "escondida" en la modulación de las ondas
de RF). Esta fue una de las primeras aplicaciones de los rectificadores (en la
denominada "Radio Galena"), y actualmente es una aplicación muy generalizada de
este tipo de diodos.


Fig. 9: Diagrama esquemático de la demodulación de una onda de radio AM
mediante un diodo Schottky. Se muestran esquemáticamente la onda de radio AM
sintonizada antes, y la onda de AF después del diodo detector.


Fig. 10: Cuadrante I de la curva característica de un diodo Schottky, tipo 1N60 de
germanio (0.25mA/div.Y; 0.2V/div.X). El instrumento muestra un voltaje umbral
muy bajo (Vγ ≈ 0.13V) en comparación con el diodo rectificador de silicio .
3-DE QUÉ ESTÁ HECHO
Los dos tipos de diodos semiconductores más simples son dispositivos básicos de
estado sólido donde el A está compuesto por un material semiconductor tipo-
p (generalmente Si, Ge o GaAs). En un diodo rectificador el K es del mismo
material semiconductor que el A pero tipo-n, y en un diodo Schottky el K
esun metalComo toda la corriente que alimenta un circuito debe pasar por los
rectificadores de la fuente de alimentación, losdiodos rectificadores deben ser
capaces de disipar cierta cantidad de potencia con el mínimo de "fugas" en inverso.
Por lo tanto, los rectificadores generalmente se fabrican mediante "uniones" (en vez
de "contactos puntuales") para tener mayor capacidad de transporte, y con Si (en vez
de Ge), pues el Si se puede usar a unas decenas de grados más que el Ge. Además,
las corrientes inversas de fuga (Io) son unas 1000 veces menores en los diodos de Si
que en los de Ge (Estas 2 grandes ventajas del Si respecto del Ge son mucho más
importantes que la desventaja de los diodos de Si de tener un umbral Vγ ≈ 0.6 V, que
es casi el triple que en el Ge).


Fig. 11: Esquemas, símbolos y curvas características de diodos reales: diodo
de unión n-p de Si y diodo Schottky metal-semiconductor de Ge.
Algunos diodos Schottky son fabricados con contactos y otros con uniones
especiales (para tener barreras bajas), pero entre metal y semiconductor tipo-
p (porque la barrera con el metal es menor que con un semiconductor tipo-n). El
semiconductor generalmente es Ge (porque tiene una barrera menor que el Si),
aunque también hay con Si (para que puedan soportar mayores temperaturas y
posean menores corrientes inversas de fuga).
Ejemplos:
Serie de diodos rectificadores de Si "1N4001-1N4007"
Diotec Electronic Corp. es uno de los fabricantes de la "Series 1N4001-1N4007
1Amp General Purpose Silicon Diodes". Son 7 diodos (1N4001/2/3/4/5/6/7) que
pueden funcionar entre -65 y 175oC, poseen una IoMax = 5 μA yVRMax = 50, 100, 200,
400, 600, 800, 1000 V respectivamente. Vienen con encapsulado "DO-41" de
plástico (4.1 mm de largo, 2.6 mm de diámetro) y con una masa de 0.34 g.
Diodo Schottky "1N60"
International Semiconductors, Inc. y Central Semiconductors fabrican un "1N60
Germanium Glass Diode" hecho con Ge (Gold Bonded Technology), que puede
funcionar entre -55 y 70oC, y posee una corriente inversa máxima deIoMax = 40 μA
y VRMax ≈ 20 V. Viene en el encapsulado "DO-7" de vidrio (menos de 8mm de largo,
casi 3mm de diámetro) y con una masa de 0.2g.
Este componente también existe en silicio. Weitron y Formosa MicroSemi Co.,
LTD. fabrican un "1N60 Schottky Barrier Diode" o "Small Signal Schottky Diode"
(Silicon Epitaxial Planar), que puede funcionar entre -65 y 95oC aproximadamente,
y posee una IoMax = 0.1 μA y VRMax ≈ 40 V. Viene en el encapsulado "DO-35" de
vidrio (menos de 5mm de largo, 2mm de diámetro).

4-CÓMO FUNCIONA
El mecanismo de rectificación de un diodo semiconductor es muy distinto al de una
válvula, debido a que los mecanismos de conducción en sí mismos son muy
diferentes. Sin embargo, algunos conceptos son generales.
Por ejemplo, para ver cómo un rectificador eléctrico bloquea la corriente en un
sentido pero la deja circular en el otro, hay que observar que el dispositivo no es
simétrico; está formado por dos electrodos diferentes: ánodo (A) y cátodo (K), y el
voltaje ΔVAK ≡ VA - VK sobre el rectificador (la caída de voltaje sobre el A respecto
del K) puede tener dos signos diferentes.


Cuando el voltaje es inverso, VR ≡ΔVAK < 0 V, la polaridad del dispositivo se
denomina "polarización inversa"(reverse bias). En este caso la circulación de
corriente está bloqueada y el rectificador (perfecto) no conduce (IR = 0A). Esto
significa que habría que vencer una "barrera de energía" (potencial eléctrica) para
que una corriente (de cargas positivas) pudiera circular en sentido inverso (desde K
hacia A). La existencia de esa barrera no solo hace que el dispositivo no sea
simétrico, sino que además determina que haya un sentidoprivilegiado.
Cuando el voltaje es directo, VF ≡ΔVAK > 0 V, la polaridad del dispositivo se
denomina "polarización directa"(forward bias). El sentido de circulación de
portadores positivos yendo desde A hacia K se denomina sentido directo. Puede
darse uno de estos 2 casos:
(1) No hay barrera a la conducción en directo (como en el caso de un diodo
semiconductor ideal donde Vγ =0V),o bien,
(2) Existe otra barrera (en sentido directo), que es menor que la barrera para la
conducción inversa (como en los diodos reales o "prácticos").
Por eso es que sobre el rectificador, para que haya corriente directa IF > 0A, en
general no solo es necesario aplicar un voltaje directo VF, sino que además ese
voltaje debe ser suficiente para que los portadores de carga alcancen o superen una
brecha de energía; el voltaje directo debe alcanzar cierto "voltaje umbral"
(threshold) Vγ relacionado con la barrera en directo:

0V≤ Vγ ≤ VF

Esta expresión toma en cuenta ambos casos, con barrera en polarización directa
(Vγ >0V)o sin ella (Vγ =0V).
Las válvulas termoiónicas rectificadoras están diseñadas físicamente para que esta
barrera a la conducción en directo sea menor que al revés. En la barrera interviene la
energía EW necesaria para hacer que los electrones abandonen el material del K
(denominada "función trabajo"). Al aumentar el voltaje de la placa en relación al K,
aumenta la energía potencial eléctrica de los electrones en el material del K. Como
hay que "arrancarlos" de la superficie del K y acelerarlos hasta la placa, el
voltaje Vp sobre las válvulas es relativamente alto. Para que este Vpsea menor, (i.e.,
para que cueste menos función trabajo), se utilizan cátodos calientes. El proceso se
denomina "emisión termoiónica", y típicamente Vp ≈ 100-500 V.

El diodo semiconductor de unión funciona de un modo muy diferente, pero también
hay que aplicar un voltaje umbral para vencer una barrera (aunque mucho menor
que en las válvulas). A continuación se explicacualitativamente el origen físico de


los parámetros que determinan la curva Corriente vs.
Funcionamiento del diodo semiconductor real
Tres parámetros importantes en el funcionamiento del diodo rectificador de unión n-
p y diodo Schottky reales son:
(1) Intensidad de corriente inversa de saturación Io
(2) Voltaje inverso de ruptura VBR (ó VRMax)
(3) Voltaje (directo) umbral Vγ

Cuando se fabrica un diodo de unión n-p, al poner en contacto dos materiales con
concentración distinta (exceso de electrones libres en el tipo-n y exceso de agujeros
en el tipo-p), habrá difusión de portadores de carga de uno y de otro lado através de
la unión.
Entonces, los electrones (portadores de carga negativos y mayoritarios en el
material tipo-n) difundirán hacia eltipo-p, dejando iones positivos donadores
"desnudos" (en el tipo-n), cruzando la unión y recombinándose con agujeros,
haciendo que queden iones negativos aceptadores desnudos (en el tipo-p).
Análogamente, los agujeros (portadores de carga positivos y mayoritarios en el
material tipo-p) difunden hacia eltipo-n cruzando la unión y recombinándose con
electrones (En un diodo Schottky sucede algo relativamente similar, pero con
electrones libres y un metal en vez de un semiconductor tipo-n).


Fig. 12: Representación esquemática de la estructura de un diodo semiconductor
de unión n-p. Debido a la recombinación de electrones libres del tipo-n con los
agujeros del tipo-p, alrededor de la unión quedan iones que generan un campo
eléctrico intrínseco (de contacto) Enp desde el tipo-n hacia el tipo-p.
Por lo tanto, la zona de material (originalmente neutro) tipo-n que rodea la unión
queda positiva, y la zona cercana a la unión dentro del material tipo-p queda
negativa, dando lugar a la aparición de un campo eléctrico inverso, intrínseco o de
contacto, Enp, que "apunta" desde el tipo-n (positivo) hacia el tipo-p (negativo).

Este campo Enp de n hacia p produce una fuerza eléctrica Fnp = qEnp sobre las
cargas q. Esta fuerza está en contra de los agujeros que están difundiendo hacia n, y
análogamente, el mismo Enp produce una fuerza eléctrica contra los electrones que
están difundiendo hacia p.
Por lo tanto, la difusión persiste hasta que el Enp llegue a ser lo suficientemente
intenso en la unión, como para compensar la difusión y establecer elequilibrio.
La región de recombinación que rodea la unión donde existe el campo eléctrico Enp,
se denomina región de deplexión, o región de carga de espacio, o región de
transición (depletion region; depletion layer) y tiene un espesor .

La existencia de Enp (que apunta de n hacia p), hace que en la región de
recombinación exista una variación o salto de potencial eléctrico V0 (de unas
cuantas décimas de volt, mayor en n respecto de p), y por lo tanto hay una barrera de
energía potencial electrostática eV0 para los agujeros y una barrera -eV0 para para
los electrones


(1) Corriente inversa de saturación Io
Es importante observar que la existencia de esta región intermedia sin portadores de
carga (ni electrones libres ni agujeros), hace que el dispositivo no
pueda ser conductor.
Cuando el dispositivo se polariza en sentido inverso o de bloqueo (reverse
bias), VR < 0 V, aparece un campo eléctrico exterior Eext adicional en la misma
dirección (atravesando la unión a lo largo de la región de recombinación). Como en
el material tipo-n el potencial aplicado externamente es positivo respecto del tipo-p,
el campo Eext sobre todo el material tiene el mismo sentido que Enp, por lo que el
campo eléctrico total en la unión es la suma de dos campos inversos y posee una
intensidad (inversa) mayor: ETOTAL = Enp + Eext. Esto significa queaumenta el ancho
de la región de recombinación, la barrera se hace mayor y no puede haber flujo de
cargas. Entonces, a través de la unión n-p en el cero absoluto (T = 0 K) no hay
conducción en inverso.

El estado de no conductor a 0 K con polarización inversa cambia cuando T > 0 K.
La presencia del campo eléctrico de los átomos desnudos con energía térmica kT,
rompe algunos enlaces covalentes cercanos, y entonces aparecenpares agujero-
electrón libre generados por la agitación térmica en ambos lados de la región de
transición.
El electrón de los pares generados en el tipo-n se liga a algún ión positivo cercano, y
el agujero de los pares generados en el tipo-p se liga a algún ión negativo (como se
muestra esquemáticamente en la Figura).

Por lo tanto, alrededor de la unión a T > 0 K los agujeros en el tipo-n y electrones en
el tipo-p generados térmicamente, bajo la fuerza del campo eléctrico inverso
atraviesan la unión hasta recombinarse (flecha verde).
Esto constituye una pequeña corriente inversa IR cuya intensidad con muy poco
voltaje inverso alcanza el valor límite Io, que es el parámetro denominado corriente
inversa de saturación del diodo.


Fig. 13: Representación esquemática del origen de la corriente inversa de
saturación Io en un diodo semiconductor de unión n-p. En la zona de transición a T >
0 K, se rompen enlaces generando pares agujero-electrón. De este modo quedan
agujeros entre los iones positivos del tipo-n y electrones entre los iones negativos
del tipo-p, que se recombinan movidos por el campo eléctrico inverso.
En un diodo perfecto Io ≡ 0 A, pero en un diodo ideal la teoría de Shockley predice y
explica la existencia de Io, observada en los diodos reales (o prácticos).
Esta corriente inversa se desprecia en muchas aplicaciones, ya que es del orden de
100 μA y 0.1 μA en diodos de Ge y de Si respectivamente. Pero por otro lado,
existen otros dispositivos donde se utiliza la sensibilidad de Io con la temperatura o
bien con la iluminación (dado que también la luz visible puede romper enlaces
covalentes y generar pares electrón-agujero).
(2) Voltaje inverso de ruptura VBR (ó VRMax)
Si el voltaje inverso sigue aumentando negativamente, finalmente alcanzará un
voltaje límite -VBR asociado a otra barrera, a partir de la cual comienza una
conducción en sentido inverso. Esta corriente inversa normalmente destruye al
dispositivo, salvo los especialmente diseñados para conducir en ese régimen hasta
un valor máximo de potencia (denominados diodos Zener).
El caso más común es que cuando VR = -VBR los agujeros y electrones generados
térmicamente que componen la corriente adquieren energía suficiente como para
liberar enlaces de electrones de valencia y así producir nuevos portadores de carga.
A su vez, estos nuevos portadores liberan otros, en un proceso acumulativo
denominado” multiplicación por avalancha".

Pero existe otro mecanismo que origina conducción inversa. Si los portadores de
carga no tienen energía suficiente para romper enlaces en las colisiones, igual es
posible que se produzca una "ruptura" (breakdown) al alcanzar un voltaje -
VBR asociado a un campo eléctrico inverso suficientemente intenso como para
romper directamente los enlaces. En este caso la conducción inversa se
denomina zener, y se produce generalmente en diodos donde el voltaje de
ruptura VBR es menor que unos 6V.
En la práctica, los términos "Zener" o "ruptura" se utilizan en general, no solo para
los diodos de ruptura sino también para los de avalancha que poseen, en
principio, voltajes VBR mucho mayores.
En un diodo perfecto y en un diodo ideal no hay ruptura, es decir, VBR ≡∞. Pero en
un diodo real VBR es un parámetro muy importante, de valor finito.
(3) Voltaje umbral Vγ


En un diodo perfecto y en un diodo ideal tampoco hay voltaje umbral, es decir, Vγ ≡
0 V. Pero en un diodo real Vγtambién es un parámetro muy importante, de valor
finito, como se verifica experimentalmente en las imágenes del cuadrante I de la
curva I vs. V vistas en el trazador de curvas. En efecto, se observa en las curvas que
la conducción en directo de un diodo de unión de Si y de un diodo Schottky de Ge
es nula o casi despreciable hasta que el voltaje directo alcanza un valor umbral.
Veamos cómo esto se explica cualitativamente.


Fig. 14: Representación esquemática del cambio en el ancho de la región de
transición con las polarizaciones inversa y directa.
Cuando el dispositivo se polariza en sentido directo (forward bias), VF > 0 V, el
campo eléctrico exterior Eext que atraviesa la unión a lo largo de la región de
recombinación, ahora tiene sentido opuesto al campo intrínseco Enp, por lo que el
campo eléctrico total posee una intensidad menor: ETOTAL = Enp - Eext. Esto significa
que el campo sobre la unión polarizada directamente disminuye el ancho de la
región de recombinación y consecuentemente la barrera se hace más delgada. Pero si
aún queda algo del campo intrínseco que el campo exterior no haya cancelado,
persiste parte de la barrera y el dispositivo sigue en estado "no conductor".
El voltaje umbral es el que produce un campo exterior directo que cancela al campo
intrínseco inverso, y a partir del cual, sin barrera, podrá haber conducción. Éste es
entonces el origen del voltaje umbral.
Curva Característica Corriente I vs. Voltaje V del diodo semiconductor
Considerando portadores mayoritarios y minoritarios, el físico e inventor
estadounidense William Bradford Shockley (1910-1989) en 1949 elaboró la teoría
de la unión n-p con su célebre ecuación para la corriente inversa Io, que conduce a la
expresión de la corriente I en función del voltaje aplicado V (polarización inversa o
directa), conocida como Ley del Diodo Ideal de Shockley:

I = Io (e eV/(kT) – 1)

donde la corriente inversa de saturación es

Io = constante x T 2 e-EG0/(kT)

siendo EG0 ≡ EG(0K) el valor del gap del material a T = 0 K.


Fig. 15: Representación esquemática de las curvas características de un rectificador
perfecto, un diodo ideal (Ecuación de Shockley) y de un diodo semiconductor de

La Ecuación de Shockley describe bastante bien el comportamiento para pequeñas
corrientes de un diodo ideal de unión n-p de germanio (con EG0Ge = 0.785 eV),
donde dominan las corrientes de difusión. Pero en el caso de un diodos de Si o de
GaAs, es necesario hacerle correcciones. Esto se debe a efectos de superficie, a
efectos de "tunelaje" en la unión, y otros fenómenos no considerados en la
deducción de Shockley.
La curva I vs. V del diodo ideal de unión n-p de silicio crece más suavemente que la
característica del diodo de Ge. Con las primeras décimas de voltio de V, el
crecimiento de la corriente directa IF comienza variando como e eV/(2kT)(en vez
de e eV/(kT) como es para el Ge). Haciendo las correspondientes correcciones, la
característica para el Si resulta:

I = Io (e eV/(nkT) – 1)


donde n = 2 cuando domina la recombinación (corrientes pequeñas), n = 1 cuando
domina la difusión (corrientes grandes), 1< n < 2 cuando ambos fenómenos
contribuyen apreciablemente, y:

Io = constante x T 3/2 e-EG0/(2kT)
y donde EG0Si =1.21eV.
Por lo tanto las expresiones para un diodo ideal de unión n-p de germanio y de
silicio se pueden sintetizar en una sola ecuación con 5 parámetros dependientes del
material:

I = Io (e eV/(nkT) – 1) = constante x T m e-EG0/(ηkT) (e eV/(nkT) – 1)

donde para un diodo ideal de unión n-p de germanio:
n =1
m =2.0
EG0 =0.785eV
η =1

mientras que para un diodo ideal de unión n-p de silicio:
(IF grande) 1≤ n ≤2(IF pequeña)
m =1.5
EG0 =1.21eV
η =2

Otra forma de expresar I es con EG ≡ EG(T) en vez de EG0, usando que el
valor EG del gap decrece en forma aproximadamente lineal con T, y entonces
resulta:

I = constante x T (3+γ/2) e-EG/(ηkT) (e eV/(nkT) – 1)


donde γ es una constante que depende del material.
A partir del voltaje umbral Vγ, el diodo conduce en directo, y la caída de voltaje
directo VF (forward voltage-drop) es del orden de 0.3 V hasta aproximadamente 3 V,
dependiendo del dispositivo y de la intensidad de la corrienteforward IF.
Para los diodos rectificadores usados en aplicaciones de potencia (generalmente de
silicio con VγSi ≈ 0.6 V), VF está en el rango 0.7-1.7 V. Por ejemplo, en el diodo
1N4007 de silicio típicamente es VF ≈ 1.1 V para IF ≈ 1 A.
En los diodos Schottky usados en la actualidad como demoduladores en las radios de
AM, la VF tiene que ser baja (para que tengan eficiencia y rapidez de conmutación en
las aplicaciones de alta frecuencia). En estos dispositivosVF suele estar en el rango
0.15-0.45 V. Por ejemplo, en el diodo 1N60 de germanio (con VγGe ≈ 0.25 V)
típicamente es VF ≈ 0.3 V para IF ≈ 1 mA.
Medición de EG usando diodos semiconductores:
La última expresión es interesante porque muestra explícitamente que para un diodo
de germanio (η = n = 1) o para un diodo de silicio con una corriente directa IF pequeña
(η = n = 2), y dentro de un rango pequeño de temperaturas cercanas a la ambiente (T ≈
300 K) donde el término T(3+γ/2) varía mucho menos con T que e-EG/(ηkT), y
donde eeVF/(nkT) >> 1,se tiene
IF ≈ constante x e-EG/(ηkT) e eVF/(nkT) = constante x e(eVF -EG)/(nkT)
de donde resulta que manteniendo la corriente directa IF constante y pequeña (cercana
al umbral),
T ≈ constante x (EG - eVF) ≡ A0 + A1VF
Entonces se puede estimar experimentalmente el gap a T ≈ 300 K usando la relación
(lineal) del voltaje directo VFcon la temperatura T del material del diodo
semiconductor (alrededor de la temperatura ambiente), a partir del cociente EG/e = -
A0/A1 entre la ordenada al origen A0 y (menos) la pendiente -A1, como se describe en
el Apéndice "Medición del gap de un semiconductor" del artículo El Semiconductor
(Tipo-n y Tipo-p), usando un diodo deunión n-p 1N4007 para el Si, y un
diodo Schottky 1N60 para el Ge.
Tres comentarios más:
Las uniones entre dos materiales eléctricos diferentes, tienen otras aplicaciones.
(1) Cuando se ponen en contacto dos metales diferentes ... se forma un rectificador?
Los metales (puros y aleaciones) tienen electrones libres (disponibles para la
conducción eléctrica) con diferentes energías, dependiendo de la temperatura y de los
niveles electrónicos de la banda de valencia de cada metal. Qué ocurre entonces
cuando se ponen en contacto 2 metales diferentes?


Hay unabarrera de potencial?
Cuando se ponen en contacto migran electrones de un metal al otro hasta que un campo
eléctrico equilibre el gradiente de concentración en la unión, provocando la aparición
de un voltaje (potencial de contacto o potencial termoeléctrico Seebeck)
aproximadamente proporcional a la temperatura de la unión.
La unión metal-metal se llama termopar y es una clase de dispositivos muy
importantes, con gran aplicación entermometría como transductores de temperatura
a voltaje.
Por ejemplo, el termopar tipo-K está formado por el par de aleaciones
denominadas chromel (90%Ni-10%Cr) yalumel (95%Ni-2%Mn-2%Al-1%Si).
El chromel resulta positivo respecto del alumel y la sensibilidad del termopar tipo-K
es≈ 41μV/oC.
Pero un termopar no es un rectificador, ya que ninguno de los dos metales
constituyentes tiene gap. Sí es asimétrico (debido al potencial Seebeck que tiene una
polaridad definida), pero no es un rectificador, pues conduce fácilmente en
ambos sentidos.

(2) Los terminales metálicos en los extremos de un diodo de unión n-p, forman
dos rectificadores Schottky?
Lógicamente aparecerán dos potenciales de contacto en estas uniones metal-
semiconductor adicionales, en los extremos del diodo semiconductor n-p. Sin embargo
estas uniones se fabrican para que no rectifiquen, para que sean simplemente un
contacto resistivo.
Cuando se tiene este tipo de unión, que es independiente del sentido y de la intensidad
de la corriente, en vez de llamarse "unión", se la denomina contacto óhmico. En
general se reserva la denominación "unión" para la existencia de una "barrera de
energía potencial", que produce la rectificación.

(3) El fenómeno inverso al Seebeck es el Efecto Peltier, descubierto en uniones metal-
metal a través de las cuales se obliga a circular una corriente eléctrica.
La aplicación de este efecto termoeléctrico en refrigeradores termoeléctricos sin partes
móviles se hizo práctica más de un siglo después de su descubrimiento, pero usando
semiconductores.
Varios pares de elementos tipo-n y tipo-p fuertemente dopados, se conectan formando
un módulo generador termoeléctrico (TEG, ThermoElectric Generator). Los elementos
se interconectan (en serie y en paralelo) alternadamente y con láminas metálicas, y el
TEG queda compuesto por contactos óhmicos metal-semiconductortipo-n y contactos
óhmicos metal-semiconductor tipo-p. La generación y absorción de calor está asociada


a la diferencia de energía potencial eléctrica de los portadores en uno y otro tipo de
semiconductor.
5-MISCELÁNEAS
Rectificador con Piedra Galena: Un diodo que se adelantó medio siglo !
A principios del Siglo XX, la Humanidad se encontraba asombrada tanto por la magia
de La Radio como por el misterio de la (rectificación mediante la) "piedra galena".
La Radio Galena fue un receptor de radio con los mínimos componentes que adquirió
ese nombre justamente porque su diodo detector se construyó mediante un metal en
contacto con una piedra galena, que es sulfuro de plomo (PbS), el principal mineral
natural del plomo, con estructura cristalina cúbica y comportamiento
semiconductor.

El efecto "rectificador de puntas de contacto" en cristales había sido descubierto en
1874 por el físico e inventor alemán Karl Ferdinand Braun (1850- 1918), quien
observó la dependencia de la resistencia con la polaridad del voltaje aplicado y con el
detalle de las condiciones en la superficie de contacto, publicado en Ann. Phys.
Chem., 153,556(1874).
Mucho más tarde, en los comienzos de la comunicación con RF, el físico, biólogo,
botánico, arqueólogo, inventor y escritor de ciencia ficción bengalí Jagadish Chandra
Bose (1858-1937), en sus experimentos con microondas de 1894 implementó la idea
de demodular ondas de radio con un cristal semiconductor. En 1901 Bose presentó una
patente de un detector de radio AM con piedra galena, un diodo de unión conductor-
semiconductor ( U.S. Patent 775,840 (1904) ). Este diodo metal-galena fue el primer
componente electrónico de la Historia !. Así nació también la primera radio con
detector a galena, la "Radio Galena".
Finalmente, Braun compartió con Marconi el Premio Nobel de Física 1909 por sus
contribuciones a la "telegrafía sin alambres".

El diodo con piedra galena fue un dispositivo completamente anacrónico. Por un lado
se adelantó a la teoría necesaria para comprender su funcionamiento, ya que era un
componente cuántico de la Electrónica de Estado Sólido que empezaría a desarrollarse
medio siglo después ! Y por otro lado, comenzó a utilizarse a principios del Siglo XX,
cuando no existía ni siquiera la Electrónica (todavía no se inventaban las válvulas
termoiónicas !!). Tenía todas las ventajas (respecto de las válvulas) que tendrían los
dispositivos de estado sólido "del futuro", como por ejemplo ser liviano, pequeño,
compacto, económico, sin calefacción y de bajo consumo, casi sin desgaste ni fallas,
miniaturizable e integrable, fabricable y soldable automáticamente y en
serie.


Los primeros dispositivos rectificadores utilizaban un metal (como el oro) o grafito, en
contacto con una galena. Fue la primera forma del diodo de estado sólido, llamado
entonces "rectificador de contacto" o "rectificador de punto". Además de hacerse
con galena, también se fabricó con un óxido de cobre (Cu) y también
con selenio (Se).
Después de la patente de 1904 del diodo metal-galena, basándose en el trabajo
de Braun de 1874, el inventor estadounidense Greenleaf Whittier Pickard (1877-
1956) desarrolló y patentó en 1906 el diodo "bigote de gato" (cat's whisker), con un
alambrecito de 0.255 mm de diámetro (AWG 30, el "bigote"), de bronce fosforado
(cobre con 3.5-10% de estaño y 1% de fósforo), en contacto con un cristal de silicio
fundido. Este diodo se utilizó como detector de AM aproximadamente entre 1906 y los
años 1940s, y la Radio Galena pasó a llamarse también "Radio de Cristal".
Generalmente, cuando en la actualidad alguien dice haber armado una radio galena, en
realidad se refiere a unaradio de cristal, cuyo rectificador es un
diodo Schottky comercial.
El diodo Schottky ha estado presente en toda la Historia de la Electrónica y en la
actualidad se sigue fabricando y utilizando igual que antes, como detector, como si el
tiempo no hubiese transcurrido. Es uno de los grandes inventos vigentes de nuestra
Civilización, pero que al principio se utilizó durante décadas sin conocerse la teoría de
su funcionamiento.
En la Física Clásica no existía el concepto de gap ni de bandas de energías en los
sólidos. Por lo tanto, el principio básico de funcionamiento de un diodo semiconductor
se pudo desarrollar después de establecerse los fundamentos de la Física
Cuántica (1927).
Desde el punto de vista eléctrico, la galena es un semiconductor natural
con gap pequeño (EG ≈ 0.4 eV). Es decir que la unión metal-galena forma un
rectificador donde la barrera metal-semiconductor no es muy alta. Esta barrera de
energía se denomina barrera Schottky en reconocimiento al físico teórico e inventor
alemán Walter Hermann Schottky (1886-1976), quien extendió la teoría del físico
teórico inglés Nevill Francis Mott (1905-1996) (Premio Nobel de Física 1977) de 1939
sobre la rectificación metal-semiconductor.
La barrera de potencial "semiconductor-semiconductor" de la unión n-p fue descubierta
en 1939 por el ingeniero estadounidense Russell Shoemaker Ohl (1898-1987) quien
realizó importantes investigaciones sobre semiconductores (Todos los diodos, incluidos
LEDs y LASERs, son descendientes del trabajo de Ohl. Su trabajo lo condujo a
desarrollar la primera celda solar de silicio. Presentó la primera patente en 1941,
"Light-Sensitive Electric Device", y la obtuvo en 1946).


En el mismo tiempo, después de la Segunda Guerra Mundial, a un grupo de
investigadores de Bell Labs se les encomendó buscar una alternativa de amplificador
con elementos de estado sólido, para reemplazar las voluminosas y frágiles válvulas
termoiónicas de vidrio, es decir, desarrollar una nueva tecnología electrónica (cuando
el único componente de estado sólido era el "viejo"
diodo Schottky).
Uno de ellos, el físico e inventor estadounidense William Bradford Shockley (1910-
1989), tuvo la idea de modificar la conductividad de los semiconductores usando un
campo eléctrico externo (Más de 15 años antes, en 1930, el físico astríaco-
húngaro Julius Edgar Lilienfeld (1882-1963) había patentado el principio de lo que
ahora se denomina MESFET, transistor por efecto de campo con unión metal-
semiconductor, basado en esa idea, pero aparentemente, nadie la había puesto en el
contexto de los nuevos semiconductores).

Después de intenso trabajo, dos de sus colegas, el ingeniero eléctrico John
Bardeen (1908-1991) y Walter Houser Brattain (1902-1987) (ambos físicos
estadounidenses), en 1947 lograron amplificación con un transistor de punto de
contacto, inventando así el primer transistor de la Historia.
Pero Shockley continuó trabajando en secreto en un transistor diferente. Por un lado
buscó un diseño que fuese menos frágil y cuya fabricación pudiera ser comercialmente
más viable. Y por otro lado, estudió una mejor descripción teórica de la conductividad,
incluyendo la inyección de portadores minoritarios.
Finalmente, en 1949 Shockley estableció la teoría de la curva característica I vs. V de
una unión n-p y desarrolló la teoría del transistor de unión (BJT, Bipolar Junction
Transistor) que llamó "sandwich transistor" ("The Theory of p-n Junctions in
Semiconductors and p-n Junction Transistors" Bell Syst. Tech. J. 28 435 (1949) )
("Electrons and Holes in Semiconductors" D. Van Nostrand Princeton, N.J., 1950).

Por fin, en 1949 se comprendía el fenómeno descubierto por Braun 75 años antes
(1874) y que venía siendo utilizado en la Radio desde el principio del Siglo XX !

Shockley inventó el transistor de unión, lo dió a conocer y obtuvo la patente en 1951.
Formó su propia companía en 1955 y recibió el Premio Nobel de Física 1956 junto
con Brattain y Bardeen en reconocimiento por la invención del transistor, algo que
cambiaría tremendamente las comunicaciones y la tecnología de nuestra
Civilización.
Posteriormente, la teoría de la unión n-p fue extendida por C. T. Sah, R. N. Noyce y el
mismo Shockley ("Carrier Generation and Recombination in p-n Junction and p-n


Junction Characteristics" Proc. IRE 45 1228 (1957) ) y después por J. L. Moll ("The
Evolution of the Theory of the Current-Voltage Characteristics of p-n Junctions" Proc.
IRE 46 1076 (1958) ).
Desafortunadamente, Shockley hizo que también se lo recuerde por sus controvertidas
afirmaciones racistas e ideas acerca del mejoramiento de la raza, realizadas en los
años 1960.

Un comentario final: En esos años (1956-7), el mismo Bardeen, uno de los 3 inventores
del transistor, publicó junto con los físicos teóricos estadounidenses Leon N.
Cooper (1930 - ) y John Robert Schrieffer (1931 - ) una serie de artículos explicando la
Superconductividad Tipo-I ("Teoría BCS", Bardeen-Cooper-Schrieffer), por lo que los
3 compartieron el Premio Nobel de Física 1972. Bardeen es la única persona con 2
Premios Nobel de Física (1956 y 1972).

REFERENCIAS

(1) Sze S M 1981 Physics of Semiconductor Devices; Second Edition (N.Y.: John
Wiley &Sons)

(2) Millman J and Halkias Ch C 1965 Electronic Devices and Circuits (McGraw-Hill)
Traducción al Castellano:
Millman J y Halkias Ch C 1975 Dispositivos y Circuitos Electrónicos (Madrid:
Pirámide)
(Un viejo libro de la época, cuando a los estudiantes de Ingeniería Electrónica se les
enseñaba algo de la Física de los dispositivos)

(3) Horowitz P Hill W 1989 The Art Of Electronics; 2nd Edition (Cambridge:
Cambridge)

(4) Falicov L M 1980 La estructura electrónica de los sólidos; Tercera Edición
(Washington, DC: OEA) Monografía no. 3, Serie de Física

(5) McWhorter G and Evans A J 1994 Basic Electronics: Electronic Devices and
Circuits, How They Work and How They Are Used (Richardson: Master) Radio Shack
62-1394


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