Laboratorio 1: El Diodo de Unión

2. Fundamentos Teóricos

2.1. SEMICONDUCTORES

Los semiconductores son sólidos cuya conductividad está en una zona intermedia entre la de los metales y los aislantes. Como ejemplos de dispositivos semiconductores basta considerar los transistores, los diodos de unión, los diodos Zener, etc. Todos ellos son ampliamente usados en campos de la informática, la electrónica industrial, la electrónica de consumo... Además, los dispositivos semiconductores son empleados en diferentes funciones tales como rectificación, amplificación, detectores, osciladores y en circuitos de conmutación.

2.2. El Diodo Semiconductor

Un diodo es el dispositivo semiconductor más sencillo, formado por la unión de un material tipo P (exceso de huecos) y un material tipo N (exceso de electrones). Esta unión crea una barrera de potencial que impide el paso de corriente de forma natural.

2.3. Verificación del diodo rectificador

Antes de realizar cualquier montaje, es fundamental verificar el estado del componente. Un diodo en buen estado debe presentar una asimetría clara en su conducción:

2.4. Comportamiento frente a la Temperatura

Los semiconductores son muy sensibles al calor. Un aumento de la temperatura tiene dos efectos principales:

• Reducción de $V_\gamma$: La tensión de umbral disminuye aproximadamente $-2\text{mV}/^\circ\text{C}$.
• Aumento de $I_S$: La corriente de saturación inversa se duplica, aproximadamente, por cada $10^\circ\text{C}$ de incremento.

2.5. Parámetros Críticos

• Tensión de Umbral ($V_\gamma$): Tensión mínima para que el diodo conduzca significativamente (~0.7V en Si).
• Corriente Inversa de Saturación ($I_S$): Mínima corriente que fluye en polarización inversa.
• Resistencia Dinámica ($r_d$): Resistencia que ofrece el diodo una vez está en conducción.

2.6. Ecuación de Shockley y Simulación

El comportamiento real del dispositivo se describe matemáticamente por la ecuación de Shockley:

Donde:

• $I_S$: Corriente de saturación inversa.
• $V_D$: Tensión entre ánodo y cátodo.
• $n$: Factor de idealidad (típ. entre 1 y 2).
• $V_T$: Tensión térmica ($\approx 26\text{mV}$ a temperatura ambiente).

2.7. OBTENCIÓN CURVA CARACTERÍSTICA TENSIÓN-CORRIENTE

La obtención empírica de la curva I-V consiste en medir y representar gráficamente la relación entre la tensión en bornes del diodo ($V_D$) y la corriente que lo atraviesa ($I_D$). Este proceso se realiza de forma diferenciada para los dos estados de polarización:

2.8. EL DIODO BIPOLAR COMO RECTIFICADOR

Una de las aplicaciones más importantes del diodo es la rectificación, que consiste en convertir una señal de corriente alterna (AC) en una señal de corriente continua (DC) pulsante.

El funcionamiento del rectificador de media onda se basa en la capacidad del diodo para conducir en un solo sentido:

• Semiciclo Positivo: El ánodo se encuentra a un potencial mayor que el cátodo. El diodo queda en polarización directa, permitiendo el paso de la corriente. En este estado, la tensión de entrada (menos la pequeña caída $V_\gamma$) aparece en los bornes de la resistencia de carga $R_L$.
• Semiciclo Negativo: El ánodo tiene un potencial menor que el cátodo. El diodo entra en polarización inversa, actuando como un circuito abierto. La corriente cae a cero y, por tanto, la tensión en la carga $R_L$ es nula.

Como resultado, este circuito "recorta" la parte negativa de la señal senoidal, obteniendo una salida de impulsos positivos unidireccionales.

2.9. Osciloscopio Virtual: Simulación de Rectificación

Utiliza este simulador para observar cómo se comportan las señales de entrada y salida. Puedes medir los valores utilizando la cuadrícula (cada división representa el valor seleccionado en los controles).

2.10. EL DIODO BIPOLAR COMO RECORTADOR (CLIPPER)

Los circuitos recortadores o limitadores tienen la función de seccionar o "recortar" una parte de una señal alterna para que esta no exceda unos niveles de tensión determinados. Son esenciales para proteger entradas sensibles de microprocesadores o para dar forma a señales.

Existen varios tipos de configuraciones según la necesidad del diseño:

• Recortador Simple: Utiliza un solo diodo para eliminar la parte de la señal que supera (o cae por debajo de) su tensión de umbral.
• Recortador Polarizado: Se añade una fuente DC en serie con el diodo. Esto permite elegir exactamente a qué voltaje queremos que se realice el "corte", más allá de los 0.7V estándar.
• Recortador Doble: Combina dos ramas en paralelo (una para cada polaridad) para limitar la señal tanto por arriba como por abajo simultáneamente.

Recortador de Doble Onda (Antiparalelo)

Al colocar dos diodos en paralelo pero con polaridades invertidas, conseguimos limitar la señal tanto en el semiciclo positivo como en el negativo. Esto crea una señal de salida "achatada" que nunca excede $\pm V_\gamma$.

2.11. EL DIODO ZÉNER

A diferencia de los diodos convencionales, el diodo Zéner está diseñado para trabajar en su zona de ruptura inversa de forma segura y controlada. Cuando se alcanza una tensión específica llamada Tensión Zéner ($V_Z$), el diodo permite el paso de corriente manteniendo la tensión entre sus bornes prácticamente constante.

Esta característica lo hace ideal para aplicaciones de regulación de tensión y como referencia de voltaje en circuitos electrónicos.

Recortador Positivo con Diodo y Zéner

Al conectar un diodo de silicio en serie con un diodo Zéner uniendo sus cátodos, creamos un recortador que limita la señal exactamente en $V_Z + V_\gamma$.

2.12. CIRCUITO RECTIFICADOR DE DIODOS CON FILTRO

El rectificador con filtro es una evolución del circuito rectificador básico al que se le añade un condensador en paralelo con la carga ($R_L$). Su objetivo es transformar la señal pulsante de salida del rectificador en una tensión de corriente continua (DC) lo más nivelada y constante posible.

Se utiliza principalmente en fuentes de alimentación para:

• Reducir el Rizado (Ripple): El condensador se carga durante el pico de la señal y se descarga lentamente a través de la carga cuando la tensión del rectificador cae, "rellenando" los huecos de tensión.
• Obtener una DC estable: Es el paso previo necesario antes de pasar la señal por un regulador de tensión para alimentar dispositivos electrónicos sensibles (como microcontroladores o smartphones).

Funcionamiento del Filtro

El condensador actúa como un **depósito de energía** que compensa las caídas de tensión de la señal rectificada. Su comportamiento se divide en dos fases cíclicas: