Diferencias entre la polarización directa y la inversa

La polarización indica que la diferencia de potencial o la alimentación eléctrica está conectada a los dispositivos semiconductores. La diferencia de potencial tiene dos tipos que conocemos como la polarización hacia adelante y la polarización hacia atrás.

La polarización hacia adelante supera la barrera de potencial del diodo y encuentra el camino fácil para el flujo de corriente.

Por otro lado, en la polarización inversa, la diferencia de potencial aumenta la fuerza de la barrera, lo que limita el flujo del portador de carga a través de la unión. El sesgo inverso da el camino de alta resistividad al flujo de corriente, por lo que no fluye corriente a través del circuito.

Principios de funcionamiento de un diodo

El funcionamiento de un diodo puede ser difícil de entender, ya que tiene una mecánica cuántica relativamente avanzada. Sin embargo, de la forma más sencilla, podemos entender el funcionamiento de un diodo observando el flujo de cargas positivas (conocidas como “huecos”) y las negativas (como sabemos, los electrones).

Técnicamente, un diodo semiconductor se presenta como una unión p-n. Necesitamos estas uniones p-n, y también tienen un papel clave en el funcionamiento de las células fotovoltaicas. Para que un diodo funcione correctamente es necesario un proceso conocido como dopaje.

Los materiales semiconductores pueden doparse con diferentes materiales para tener un exceso de electrones desplazados (lo que se conoce como regiones negativas o de tipo n).

También se pueden dopar con elementos que formen un exceso de huecos que absorban estos electrones (frecuentemente denominados regiones positivas o de tipo p). Las regiones negativa y positiva del diodo son también el cátodo y el ánodo del componente, respectivamente.

Las diferentes propiedades entre estos dos materiales y sus interacciones en una distancia muy corta (menos de un milímetro) hacen que se forme un diodo cuando se unen los dos materiales.

La combinación de estos dos tipos forma la unión p-n, y la zona entre las dos partes se llama región de agotamiento. Los electrones de la región de tipo n se difunden y neutralizan algunos de los huecos de la región de tipo p. Ahora, tenemos iones negativos en la región de tipo p y hacemos iones positivos en la región de tipo n como representa la figura.

La respuesta a los campos eléctricos depende de la dirección del campo eléctrico. Todos los procesos descritos conducen a una acción electrónica útil dependiendo de la dirección del voltaje o del campo eléctrico, y todos se denominan polarización.

¿Qué es la tensión directa y la tensión de ruptura?

Se necesita una tensión de umbral mínima para superar la región de agotamiento, que es de unos significativos 0,7 voltios para la mayoría de los diodos de silicio. Además, la tensión de polarización inversa tiene una pequeña cantidad de corriente a través del diodo, denominada corriente de fuga, que en realidad es insignificante en la mayoría de los casos. Por último, una tensión inversa lo suficientemente significativa provocará la ruptura electrónica completa del diodo y permitirá que la corriente pase a través del diodo en la dirección inversa.

En electrónica, la polarización significa una dirección o la capacidad de fluir en una dirección particular, fundamentalmente cuando se refiere a un diodo. Asimismo, describimos la polarización o bias dentro del área de la electrónica como una metodología para establecer un conjunto de tensiones o corrientes en diferentes puntos de un circuito electrónico para establecer las condiciones de funcionamiento adecuadas dentro de un elemento electrónico. La polarización también proporciona al diseñador de circuitos un control óptimo sobre la función de un diodo.

¿Qué es el Forward Biasing?

En la polarización hacia delante, el suministro de tensión externa se aplica a través del diodo de unión PN. Esta tensión corta la barrera de potencial y proporciona una vía de baja resistencia al flujo de corriente. El significado de la polarización hacia delante es la conexión de la región positiva al terminal p de la alimentación, mientras que la región negativa se une al tipo n del dispositivo.

El potencial de barrera tiene un valor ínfimo (aproximadamente 0,3 V para el germanio y 0,7 V para la unión de silicio), por lo que se necesita muy poca cantidad de tensión para la eliminación completa del potencial de barrera. La eliminación completa de la barrera crea un camino de baja resistencia para el flujo de corriente. Por lo tanto, la corriente comienza a fluir hacia la unión. Esta corriente se denomina corriente de avance.

Qué es la polarización inversa

En la polarización inversa, hay una conexión entre la región negativa y el terminal positivo de la batería, y la región positiva está unida al terminal negativo. El potencial inverso aumenta la fuerza de la barrera de potencial en esta situación. La barrera de potencial resiste el flujo de portadores de carga a través de la unión. Construye un camino altamente resistivo para que no fluya la corriente en el circuito.

¿Cuáles son las diferencias entre la polarización directa y la inversa?

A continuación se presenta una lista para ayudar a resaltar las distinciones entre estos dos tipos:

1. La polarización hacia delante disminuye la fuerza de la barrera de potencial, y como resultado, la corriente se mueve a través de la unión fácilmente. mientras que la polarización hacia atrás aumenta la barrera de potencial e impide el flujo de portadores de carga.
2. En la polarización hacia adelante, tenemos una conexión entre el terminal positivo y la batería a la región p. Además, el terminal negativo está conectado a los materiales semiconductores de tipo n.
3. En la polarización inversa, el terminal positivo de la alimentación se conecta a los materiales de tipo n, y el terminal negativo se conecta a los materiales semiconductores de tipo p de los dispositivos.
4. La polarización directa crea un campo eléctrico a través del potencial, lo que disminuye la fuerza de la barrera de potencial, mientras que la polarización inversa aumenta la fuerza de la barrera de potencial. (La barrera de potencial restringe el movimiento de los electrones a través de la unión y es una capa entre el diodo de unión PN).
5. En la polarización hacia delante, la tensión del ánodo es mayor que la del cátodo, mientras que, en la polarización inversa, la tensión del cátodo es mayor que la del ánodo.
6. La polarización hacia delante tiene una gran corriente hacia delante, mientras que la polarización inversa tiene una corriente hacia delante minúscula. (La corriente en el diodo en la dirección de avance se denomina corriente de avance).
7. La capa de agotamiento del diodo es gruesa en polarización inversa y muy fina en polarización directa. (La capa de agotamiento es la zona que rodea la unión, los portadores de carga libres se agotan).
8. La polarización hacia delante reduce la resistencia del diodo, mientras que la polarización inversa aumenta la resistencia del diodo.
9. En la polarización hacia adelante, la corriente fluye fácilmente a través del circuito, mientras que la polarización inversa no permite que la corriente fluya a través de él.
10. En la polarización hacia adelante, el valor de la corriente se basa en la tensión hacia adelante, mientras que en la polarización inversa, la magnitud de la corriente es pequeña o insignificante.
11. En la polarización hacia delante, el dispositivo funciona como un conductor, mientras que en la polarización inversa, el dispositivo funciona como un aislante.

Diagrama de polarización hacia delante y hacia atrás

Como ya hemos comentado, un diodo es un dispositivo semiconductor de dos terminales. Es algo parecido a una válvula electrónica, que permite que la corriente fluya en una sola dirección. El símbolo del diodo se presenta en la siguiente figura.

El símbolo tiene forma de flecha que muestra la dirección de la corriente que puede fluir. El terminal con signo positivo se conoce como ánodo, mientras que el terminal con signo negativo se denomina cátodo. La imagen muestra el dispositivo físico.

Se parecen a una resistencia, salvo que tienen una sola banda en un extremo. En los diodos polarizados hacia delante, la corriente fluye desde el extremo sin bandas hasta el extremo del cilindro.

Cuando la tensión V es positiva y mayor que un umbral mínimo de tensión Vt, se dice que el diodo está polarizado hacia delante. Un diodo polarizado hacia delante conduce la corriente en la dirección ilustrada en la figura.

En este caso de no ser un diodo polarizado hacia adelante, se llama polarizado hacia atrás. Un diodo con polarización inversa también conduce una corriente en el sentido contrario al que se muestra en la figura.

Sin embargo, esta corriente inversa es extremadamente pequeña, por lo que el diodo polarizado hacia delante se considera conductor, mientras que el diodo polarizado hacia atrás se conoce como no conductor.

Como se utiliza con una resistencia, el diodo está totalmente caracterizado una vez que se conoce la relación entre la corriente y la tensión. La característica IV del diodo se puede encontrar mediante la siguiente ecuación:

i=I_{0}(e^{qv/kT}-1)

donde q es la carga de un electrón, k es la constante de Boltzmann igual a 1,381 veces 10^{-28} J/K, y T es la temperatura del material en Kelvin. Normalmente, la corriente de referencia (I0) es muy pequeña, del orden de 10-9 o 10-15 amperios. El trazado de la función presentada conduce a la característica IV dada en el gráfico de la figura. Este gráfico es la curva V-I, ya que muestra cómo varía la corriente en función de la tensión.

El diagrama de la característica IV tiene tres regiones de funcionamiento distintas. La región de polarización hacia delante está relacionada con aquellas tensiones positivas que son mayores que un nivel de umbral especificado. El valor de la tensión umbral, VT, depende de las propiedades físicas de los materiales semiconductores. Los valores típicos de la tensión umbral están entre 0,6 y 1,4 voltios. Para tensiones inferiores a este umbral, el diodo deja de conducir. Hay una pequeña fuga de corriente que está en el orden de I0. Pero, como ya se ha dicho, el valor de esta corriente es mínimo. Si disminuimos aún más la tensión, entramos en otra región de trabajo definida como región de ruptura.

Normalmente, utilizamos un diodo en su modo de polarización inversa o directa. En particular, simplificamos este comportamiento, y entonces podemos considerar que el diodo es una válvula abierta cuando la tensión es mayor que la tensión umbral VT y está cerrado si es menor. Estas consideraciones conducen al diagrama característico I-V simplificado que se muestra en la figura siguiente con el umbral V del cero. En este diagrama idealizado, podemos ver que la región de polarización inversa está simplificada de forma que tenemos corriente cero pasando en esta región si v< V_{T} .

Si tenemos un diodo polarizado hacia adelante, entonces la corriente es probablemente ilimitada, lo que indica que el diodo funciona como un cortocircuito. En otras palabras, un diodo polarizado hacia adelante funciona igual que un cortocircuito, y un diodo polarizado hacia atrás funciona como un circuito abierto.

¿Qué es el tipo de polarización del diodo emisor de luz?

Un LED es un diodo emisor de luz. El LED emite luz cuando está polarizado hacia delante, y no emite luz cuando está polarizado hacia atrás. La intensidad de la luz emitida es igual al cuadrado de la corriente que circula por el dispositivo. La figura siguiente muestra una imagen de un LED. Al igual que los demás diodos, estos LEDs tienen dos cabezas, y un cable es más largo que el otro. Se presentan de esta forma para indicar qué extremo de los diodos es el ánodo (positivo) y cuál es el cátodo (negativo). El cable más largo es positivo en numerosos tipos, pero podemos comprobarlo rápidamente conectando el LED a una fuente de tensión igual a la de una pila y saber qué ajuste hace que el LED emita luz.

Resumen

La polarización directa e inversa puede distinguirse por los siguientes parámetros:

Definición de la polarización hacia delante y hacia atrás

El suministro de voltaje externo, que se aplica a través del diodo PN para derrotar la barrera de potencial para constituir el fácil flujo de corriente a través de él, se denomina polarización hacia adelante.

El suministro de voltaje externo, que se aplica a una unión PN para aumentar la barrera de potencial y limita el flujo de corriente a través de ella, se denomina polarización inversa.

Símbolos de la polarización hacia delante y hacia atrás y sus conexiones

El terminal positivo de la batería está conectado a la parte semiconductora de tipo P del dispositivo, y el terminal negativo está conectado al material semiconductor de tipo N en la polarización hacia delante.

En la polarización inversa, el terminal negativo de la batería está conectado a la región P, y el terminal positivo de la batería está conectado al material semiconductor de tipo N.

Valor de la tensión en la polarización directa e inversa

El voltaje de los ánodos es mayor que el de los cátodos en la polarización hacia delante, y al aumentar este voltaje, el potencial de barrera se reduce. La tensión de los cátodos es mayor que la de los ánodos y refuerza el potencial de barrera.

Capa de agotamiento y resistencia en la polarización directa e inversa

Tenemos capas de agotamiento finas en la polarización directa, y tiene una baja resistencia. Por otro lado, el grosor de la capa de agotamiento es alto en la polarización inversa y tiene una alta resistencia.

La magnitud de la corriente y el estado de funcionamiento en la polarización directa e inversa

La polarización hacia delante permite el paso de la corriente, y la magnitud de ésta depende de la tensión hacia delante, por lo que actúa como conductor. La polarización inversa impide el paso de la corriente, y la magnitud de esta corriente es nula, por lo que funciona como un aislante.