Principio de funcionamiento de un diodo

Generación de impurezas

Un material semiconductor "impuro" puede ser denominado semiconductor extrínseco, como el silicio o el germanio, a los que se les ha agregado un porcentaje pequeño de átomos trivalentes o bien de átomos pentavalentes. Cuando se añaden intencionalmente átomos de impurezas, se dice que el conductor está "contaminado". Como resultado de la modificación introducida podría esperarse que las impurezas alteraran los niveles de energía y, por ende, cambien la conductividad de la estructura cristalina. La conductividad de un semiconductor puede incrementarse si se incorporan pequeñas cantidades de cirtas impurezas al cristal.

Cada átomo de impureza suministrará un electrón o un hueco según se trate. Si el cristal es impurificado con átomos pentavalentes, se conoce como material tipo N; mientras que si se le agregan impurezas trivalentes, como el galio o el indio, se conoce como material tipo P, debido a que la conducción principalmente se realiza por huecos y, en este caso, se denominan portadores mayoritarios.

La unión P-N

Una definición rápida y sencilla de un diodo sería un componente electrónico por el cual fluye la corriente en una dirección, mientras que evita que circule en la dirección contraria (aunque suele existir un pequeña corriente parásita que fluye en contrasentido). Este dispositivo se forma cuando se combina una oblea de semiconductor tipo N con una oblea de semiconductor tipo P.

El material denominado P contiene un porcentaje extremadamente pequeño (del orden de 0.00011%) de átomos impuros (con una valencia de +3). Con cada átomo, denominado aceptador, se observa un hueco en su orbital de valencia. Por otro lado, en el material N de la figura se tienen los átomos de valencia +5 o pentavalentes. Los electrones libres, debidos a estos átomos denominados donadores, se encuentran en su orbital de conducción. Es importante hacer notar que tanto la oblea de material P como la de material N son eléctricamente neutras.

Al conectar las obleas de materiales semiconductores ocurre un redistribución de cargas. Algunos de los electrones libres del material N se transfieren al material P y se produce un fenómeno de recombinación con los huecos en exceso. A su vez, algunos de los huecos del material P viajan al material N y se recombinan con electrones libres. Como resultado de este proceso, el material P adquiere una carga negativa; y el material N, una carga positiva.

El proceso por el cual las cargas cruzan la unión se denomina difusión, y como consecuencia, a ambos lados de la unión se forma una zona de carga especial por la cual se formará una diferencia de potencial a través de dicha unión. Generalmente, la rotura del equilibrio en una unión P-N ocurre mediante la aplicación de un potencial externo.

En el siguiente esquema se visualiza el efecto de dicho potencial sobre la unión, donde primero se observa que está en equilibrio la unión sin polarización (A). Por consiguiente, la corriente que atraviesa la unión debe ser nula, ya que el circuito está abierto. Luego, la polarización directa disminuye la barrera de potencial de la unión (B). Consecuentemente, la corriente externa del circuito será muy grande. Finalmente, la polarización inversa externa aumenta la barrera de potencial de la unión, sólo quedando en el circuito una corriente prácticamente nula, determinada por lo portadores minoritarios, que darán lugar a la corriente inversa del diodo.

Con la polarización inversa, la polaridad de la unión es tal que tiende a alejar a los huecos del material P, y los electrones del material N de la juntura. Por lo tanto, se establece una pequeña corriente que se denomina corriente inversa de saturación y se le designa como Is. Dicha corriente se incrementa con el aumento de la temperatura, pero será independiente de la tensión inversa aplicada. 

Al aplicar una tensión directa, el potencial que se establece en la unión disminuye considerablemente, con lo cual los huecos se moverán de izquierda a derecha (en un sentido figurado, por el desplazamiento de las cargas que provocan lugares ausentes) y constituirán una corriente una corriente en la misma dirección que los electrones que se mueven de derecha a izquierda. Por consecuencia, la corriente resultante que atraviesa la juntura es la suma de la corrientes de los huecos y los electrones.

En posteriores publicaciones se tratará sobre las características de tensión y corriente presentes en el diodo y como afectan el funcionamiento de cada tipo de diodo.

Tomado de  "Enciclopedia de Electrónica Básica Vol. 2" de Saber Electrónica

Circuitos lógicos básicos

Los circuitos lógicos básicos o elementales constituyen el fundamento de las aplicaciones de la electrónica digital. El agrupamiento correcto de estos circuitos básicos permite la realización de operaciones más complejas; por ello, es necesario dedicar una especial atención a su estudio.

Circuito lógico "AND"

Considerando el circuito eléctrico mostrado, cuando la bobina del relé R1 está alimentada por la tensión de la fuente de alimentación B1, cierra su contacto SW1 y la tensión Vcc será aplicada al interruptor SW2 del segundo relé cuyo comportamiento es similar al anterior, si bien le toca a éste realizar el último enlace para que se encienda la lámpara BL1.

Con la configuración mostrada, la lámpara no se enciende al no fluir la corriente por los contactos de los relés y, por tanto, por la lámpara. De lo anterior, se tiene que las entradas a y b del circuito se encuentran en un estado nulo (0) y su salida S (BL1), también.
Ahora supóngase que se aplica la tensión de la batería  (Vcc) solamente en la entrada b. En ese caso, el solenoide del relé RL2 será activado y su contacto SW2 conmutará pero la lámpara LB1 no se encenderá, pues el contacto SW1 de RL1 no permitirá la aplicación de la tensión Vcc, tal como se muestra en el siguiente esquema. De tal forma que la entrada a se encuentra en un estado de potencial nulo (0), mientras que la entrada b se halla en un estado de potencial alto (1). Esto tiene como resultado en la salida del circuito s un estado nulo, representado por la lámpara apagada.

Este mismo caso aplica para cuando solamente se lleva la entrada a al estado lógico alto, donde será el turno del relé RL1 para operar, el cual cerrará su contacto. Al igual que el caso anterior, la lámpara BL1 no encenderá al permanecer en un estado lógico bajo (0) porque el contacto SW2 de RL2 impide que la lámpara se encienda. De tal manera que ahora la entrada a se halla en un estado de potencial alto (1), mientras que la entrada b se encuentra en un estado de potencial nulo (0). Dando como resultado en la salida del circuito s un estado nulo (0).
La lámpara BL1 sólo se encenderá cuando los contactos SW1 y SW2 de los relés estén cerrados, lo que ocurre únicamente si se aplica, simultáneamente, la tensión Vcc (estado alto) en ambas entradas, a y b. Por ende, esto provocaría un estado alto en la lámpara.
En síntesis, la lámpara BL1 del circuito "AND" sólo tomará el nivel alto cuando se aplica a ambas entradas un nivel de tensión alto en relación a tierra, o sea, cuando el contacto SW1 y el contacto SW2 estuvieran operados. Esa característica fundamental hace que el circuito descrito sea designado circuito lógico "AND", operador lógico "AND" o compuerta lógica "AND". "AND" es "Y" en inglés porque en el circuito se debe  alimentar la entrada a "Y" la entrada b para producir un estado de potencial alto en la salida s.
Para definir un circuito lógico AND basta representarlo mediante el siguiente símbolo donde puede observarse dos entradas y una única salida. Representado la condición de ausencia de tensión por "0" y la condición de existencia de tensión por "1", y atendiendo a la característica fundamental del circuito lógico AND, se puede decir que el funcionamiento del circuito queda completamente definido por la siguiente tabla de verdad. En dicha tabla se definen todas la combinaciones posibles para las dos entradas, proporcionando 2^2 = 4 combinaciones posibles. En términos de tensión, se tomarían los ceros como baja tensión (L) y los unos como alta tensión (H). De modo que se asume que la salida sólo asume el nivel alto cuando ambas entradas se encuentran en ese estado lógico.

Circuito lógico "OR"

Considere el siguiente circuito en el cual los contactos SW1 y SW2 de los relés RL1 y RL2 están conectados en paralelo. Como las entradas a y b están abiertas, la lámpara LB1 no se enciende pues no recibe alimentación a través de los contactos de cada uno de los relés cuyos solenoides están sin alimentación.

Ahora, supóngase que sólo se aplica la tensión de la batería en la entrada b, Como ambos extremos de la bobina de RL2 están sometidos a una tensión elevada, implica la conmutación del contacto SW2 asociado a ese relé; con lo cual la lámpara LB1 se encenderá. Esto es que en el contacto SW1 existe un estado lógico bajo (0) mientras que en el contacto SW2 hay un estado lógico alto (1), que provoca que a la salida del circuito haya un estado lógico alto (1).

La lámpara LB1 también se encenderá cuando el solenoide del relé RL1 esté debidamente alimentado con la tensión de la batería, como se muestra en el esquema. Cuando ambas entradas del circuito lógico "OR" son llevadas, simultáneamente, al nivel alto, es obvio que la salida del circuito asumirá el estado lógico alto y, evidentemente, la lámpara se encenderá como en los últimos dos casos.

De acuerdo con lo visto anteriormente, la tabla de verdad correspondiente de este circuito será la que se muestra a continuación, de cuyo análisis se puede llegar a las siguientes conclusiones.

1. El operador AND puede ser asociado a la operación "multiplicación", y el operador lógico OR a la operación "suma". Esto es que en el operador AND, si se multiplican la entradas del circuito, se obtendrá el resultado en la salida. Mientras que en el operador OR, la salida del circuito corresponde al resultado de la suma de las entradas. Esto puede apreciarse fácilmente en la tablas de verdad antes mostradas.
2. El comportamiento de estos dos circuitos lógicos es "dual". Con esto se refiere a que el circuito AND sólo proporciona un estado lógico alto (1) en su salida únicamente cuando se aplica a ambas entradas el estado lógico 1; mientras que  la salida del circuito lógico OR sólo asume el estado lógico bajo (0) cuando, simultáneamente, todas sus entradas son llevadas al estado lógico 0.

El circuito lógico OR también suele ser designado "circuito lógico O inclusive", ya que se debe aplicar un estado lógico alto en las entradas a "O" b para obtener un estado lógico alto en la salida.

Circuito lógico "NOT"

Como se muestra en el siguiente circuito, el interruptor SW1 es comandado por el solenoide del relé L1

Basado en el texto "Técnicas Digitales" de Saber Electrónica