El diodo semiconductor

El siguiente capítulo de la asignatura está dedicado a diseñar el amplificador de alta frecuencia que nos permitirá amplificar la tensión de la salida de la antena de sintonía hasta hacer que alcance los centenares de mV.

Antes de empezar a explicar el transistor bipolar, vamos a ver el diodo semiconductor, ya que este es clave para entender luego el transistor.

El diodo tiene una estructura P-N (de silicio dopado tipo P con silicio dopado tipo N) y su símbolo circuital es el siguiente:

 

La corriente que circula entra por el ánodo y sale por el cátodo, por lo que la tensión positiva se le asigna al ánodo y la negativa al cátodo.

Cuando forma parte de un circuito, la característica tensión-corriente es aproximadamente:

Con lo cual vemos que es un dispositivo fuertemente no lineal: cuando la tensión es positiva, al principio la corriente es muy pequeña, pero luego crece rápidamente, de manera que la pendiente es casi infinita. Por el contrario, para tensiones negativas, la corriente es prácticamente nula.

La ecuación del diodo, demuestra este comportamiento de crecimiento exponencial de la característica i-v:

Y observamos que basta con que v sea mayor a VT=26 mV, para que la exponencial alcance valores enormes. 

Sabido esto, nos gustaría saber predecir el comportamiento que tendría un circuito (cualquiera) cuando está formado por un diodo. Al ser éste un dispositivo no lineal, vamos a tener serias dificultades para resolver el circuito, porque llegaríamos a ecuaciones sin solución analítica, donde necesitaríamos algoritmos de cálculo numérico. 

Para dar solución a este tipo de análisis hay varios métodos. Uno de ellos son las técnicas gráficas: encontramos la representación gráfica de la parte lineal del circuito, le añadimos la representación gráfica de la curva no lineal del diodo y buscaremos el corte. Pero para ello, el fabricante nos ha de dar la característica i-v del diodo y raramente la da..

Hay otro método que es más operativo para hacer predicciones y en el cual no hay que recurrir a técnicas gráficas, simplemente hay que utilizar lo que sabemos de circuitos lineales. 

Se trata de: en lugar de describir al diodo por la expresión exacta exponencial, aproximarlo por 2 tramos. Es decir, que su característica i-v sea:

 

Eslo que se denomina el modelo lineal a tramos.

Tramo 1: Representa el comportamiento del diodo cuando la corriente que lo atraviesa es i>0.

Tramo 2: La corriente es i=0, y representa el comportamiento del diodo cuando la tensión entre sus terminales es v<Vgamma. Vgmma es el valor de la tangente a la curva de crecimiento exponencial.

Cuando el diodo trabaja en el tramo 1, le llamamos diodo en conducción (porque circula corriente) y equivale a una fuente de tensión de valor v=Vgamma. Es decir, el diodo se comporta como si fuera una fuente ideal de tensión. De esta forma se convierte en un circuito lineal. Si lo analizáramos, deberíamos creernos los resultados siempre y cuando la corriente que atraviesa al diodo sea i>0. 

Cuando el diodo trabaja en el tramo 2, el diodo está en off y se comporta como un circuito abierto. Si lo analizáramos, sólo deberíamos creernos los resultados del análisis siempre y cuando v<Vgamma.

De esta forma, ya podemos analizar circuitos con diodos utilizando lo que sabemos que es analizar circuitos lineales. El precio que pagamos es que analizamos 2 circuitos, aunque cuando uno es operativo ya sabemos que  el otro no.

En la práctica, los problemas de utilizar este modelo vienen cuando el diodo está trabajando para valores de tensión entre 0 y Vgamma, porque, como se aprecia en el método gráfico, para esos valores sí que circula corriente y esto en el modelo lineal a tramos no lo tenemos en cuenta (en él decimos que, simplemente, la corriente es nula).

Hay un tipo especial de diodo que tiene la propiedad de que, al circular corriente a través de él, emite luz. A ese diodo se le denomina LED. Para predecir el comportamiento que tendrá un LED en un circuito, utilizaremos el mismo procedimiento que hemos hecho con el diodo explicado anteriormente. Simplemente saber que cuando este se polarice (i>0), diremos que está ON (porque emitirá luz) y cuando no (i=0), diremos que está OFF (porque no emitirá luz).

Además, debemos saber que a cualquier semiconductor que alcance la temperatura de 170º, se le destruirán las uniones PN de forma irreversible. Es por eso que, normalmente, el fabricante siempre da la potencia que puede disipar el diodo, porque a partir de esa potencia, el calor que se genera no se va a poder ceder al medio ambiente, sino que elevará la temperatura interna. Para la inmensa mayoría de diodos, la potencia máxima que pueden disipar es P=20 mW.

Llegados a este punto, lo siguiente a lo que queremos dar respuesta es que ocurrirá si al circuito formado con un diodo añadimos un pequeño generador.