¿Por qué la electricidad sólo puede circular en un sentido a través de un diodo?

Question

Hace unos días estaba soldando una pequeña cosa que contenía un diodo una batería y otras cosas inútiles.

Por desgracia, soldé el diodo al revés y no funcionó. Cuando lo volví a invertir empezó a encenderse.

Estaba tratando de encontrar una respuesta en Google, pero lo único que pude encontrar fue el hecho de que la electricidad en el diodo puede fluir sólo en una dirección, pero mi pregunta es ¿por qué? ¿Cómo funciona? ¿Este hecho está relacionado con la construcción de un diodo?

Answer 1

Un diodo está formado por dos materiales semiconductores de tipo p y n conectados en serie, lo que permite que la corriente circule por ellos de forma diferente. En el semiconductor de tipo n, los electrones viajan con suficiente energía como para no estar unidos a un átomo y se dice que están en la banda de energía de conducción. En el semiconductor de tipo p, los electrones "saltan" de átomo en átomo, pero al carecer de energía para liberarlos, se dice que están en la banda de energía de valencia.

En la interfaz entre los materiales de tipo n y de tipo p, un electrón viajero tiene que pasar del tipo n al tipo p en una dirección, y del tipo p al tipo n en la otra, para seguir moviéndose. ¿Existe alguna diferencia entre ambas direcciones?

Pues bien, un electrón que se desplaza del material de tipo n al de tipo p puede ocurrir espontáneamente porque la energía del electrón libre se libera en forma de radiación y puede pasar a un estado de menor energía, unido a un átomo del semiconductor de tipo p. Pero para pasar del tipo p al tipo n tiene que obtener energía de alguna parte, y esto no es espontáneo porque no hay garantía de que algún otro proceso proporcione esta energía.

Piensa en una pelota en lo alto de una colina: Puede desplazarse de arriba a abajo liberando energía espontáneamente, pero algún otro proceso debe proporcionar la energía para llevarla de abajo a arriba. Y esta analogía ofrece una explicación básica de por qué un diodo conduce en una dirección, pero no en la otra.

Answer 2

Permítanme intentar otro tipo de explicación, que limitaré al diodo de unión PN (abarca prácticamente todos los diodos utilizados en los circuitos modernos).

El diodo consiste en una región dopada con p (tipo p) pegada a una región dopada con n (tipo n). En el tipo p, el flujo de electrones (e-) se realiza en gran parte por electrones que se mueven de agujero a agujero. Esto es, eléctricamente, exactamente análogo (y a menudo se visualiza) como agujeros que se mueven en dirección opuesta al flujo de e- (aunque no hay movimiento físico de carga postivie) En el tipo n, hay e- poco ligados que pueden ser donados (movidos).

En la unión PN del diodo, los e- sueltos del tipo n caen en los agujeros del tipo p adyacente. Lo que se tiene entonces es una abundancia de e- en una fina capa de la capa de tipo p en la unión, y un agotamiento de los mismos (creando una carga positiva neta) en una fina capa del tipo n. Esto crea un campo de voltaje positivo en el tipo n en relación con el negativo en el tipo p. Esto empuja a cualquier e- libre en la capa de tipo p a la unión. Esto empuja cualquier e- libre en el tipo n más lejos de la unión. El resultado es una fina capa PN que no tiene agujeros libres ni e- libres. La capa se convierte en un aislante.

Ahora, si aplicas un voltaje positivo al tipo p y uno negativo en el tipo n, los e- en el tipo p se eliminan, haciendo agujeros libres. Al mismo tiempo, el voltaje positivo contrarresta el voltaje inverso que se había establecido en la unión PN, y los e- del tipo n son forzados a acercarse al tipo p, donde pueden cruzar y llenar los nuevos agujeros. La corriente fluye.

Sin embargo, si se aplica una tensión positiva al tipo n y negativa al tipo p ("polarización inversa" del diodo), simplemente se refuerza el gradiente de tensión que ya se había establecido de forma natural en la unión PN. Los e- se ven forzados a alejarse aún más de la unión PN, y el límite aislante (región de agotamiento) se hace más grueso. No fluye corriente.

Para profundizar más en el tema se necesitaría una buena parte de un curso de postgrado en ciencia de los materiales. Espero que lo que he escrito sea suficiente.

Answer 3

Esto depende realmente del tipo de diodo del que se trate, pero para los tipos más comunes existe algo llamado unión PN que permite que la corriente fluya en una sola dirección. En esta página:

http://en.wikipedia.org/wiki/PN_junction

en wikipedia explica cómo funciona una unión PN. La versión abreviada es que el voltaje tiene que estar por encima de un determinado umbral definido por los materiales de la unión antes de que pueda fluir el jugo. Esto aparece en la curva característica I-V como un punto en el gráfico donde la derivada es discontinua. Los detalles sobre otras características de la curva I-V dependen de los materiales utilizados, pero es la unión y la aplicación de un voltaje por encima de ese umbral lo que significa que tenemos un diodo entre manos.