La unión PN y los diodos: rectificador, Zener y LED

El LED del router de tu casa enciende porque alguien lo conectó en el sentido correcto. Si en el taller sueltas uno y lo pones al revés en un tablero de pruebas con una fuente de pocos voltios, no pasa nada: no enciende y tampoco se daña. Ese comportamiento de «dejo pasar la corriente en un sentido y la bloqueo en el otro» es la razón de ser del diodo, y viene de lo que pasa en la unión PN, el punto donde se tocan un cristal tipo P y uno tipo N.

Esto da por hecho que ya conoces el tipo N, el tipo P y sus portadores mayoritarios y minoritarios.

Qué ocurre en la unión: difusión y barrera#

Al unir los dos cristales, en el lado N sobran electrones y en el P sobran huecos. Los portadores se van del lado donde abundan al lado donde escasean: es la corriente de difusión. Los electrones cruzan hacia el lado P y se recombinan con huecos; los huecos cruzan hacia el N y hacen lo mismo.

Al irse, cada portador deja detrás un ion fijo sin compensar: iones positivos del lado N y negativos del lado P. Se forma una franja casi sin portadores móviles, la zona de agotamiento, con un campo eléctrico que se opone a que sigan pasando más cargas. El equilibrio se alcanza cuando ese campo frena la difusión. La diferencia de potencial entre los dos lados es la barrera de potencial: unos 0,7 V en el silicio y unos 0,3 V en el germanio, a 25 °C.

Polarización directa e inversa#

• Directa: ánodo positivo respecto al cátodo. La tensión externa se opone a la barrera, la zona de agotamiento se angosta y a partir de unos 0,6 a 0,7 V (silicio) la corriente crece rápido. El diodo se comporta casi como un interruptor cerrado con una pequeña caída de tensión.
• Inversa: ánodo negativo respecto al cátodo. La zona de agotamiento se ensancha y no pasa corriente apreciable; solo una corriente de fuga de microamperios por los portadores minoritarios.
• Ruptura: si la tensión inversa sube más allá del límite del diodo, la corriente se dispara. En un diodo rectificador común esto lo destruye.

El diodo rectificador: símbolo, curva y datos#

El símbolo es un triángulo que apunta hacia una barra. El triángulo es el ánodo y la barra, el cátodo. En el componente real, una banda pintada en el cuerpo marca el lado del cátodo. El 1N4007 tiene la banda plateada o gris.

La curva I-V tiene dos partes. En directa, la corriente es casi cero hasta cerca de 0,5 V y luego sube casi vertical; la tensión del diodo queda entre 0,6 y 0,8 V aunque la corriente cambie mucho. En inversa, la corriente es minúscula hasta el valor de ruptura.

Diodo	Tensión inversa máxima repetitiva	Corriente directa media	Uso típico
1N4148	100 V	unos 200 mA	Señal, lógica, protección de entradas
1N4007	1 000 V	1 A	Rectificación en fuentes de 120 V
1N5819 (Schottky)	40 V	1 A	Fuentes de baja caída; cae solo unos 0,3 a 0,45 V en directa

Ejemplo. Un diodo de silicio en serie con una resistencia de 330 Ω y una fuente de 5 V, polarizado en directa. ¿Qué corriente circula?

Solución. La caída del diodo es de 0,7 V, así que la resistencia recibe 5 − 0,7 = 4,3 V. I = 4,3 V / 330 Ω = 13 mA. Con el diodo al revés, I ≈ 0 y toda la fuente queda sobre el diodo, no sobre la resistencia.

El diodo Zener#

Un diodo Zener es un diodo hecho para trabajar en ruptura inversa sin destruirse. En directa se comporta como un diodo común, pero en inversa, al llegar a su tensión Zener (V_Z), conduce y mantiene esa tensión casi fija aunque la corriente cambie. Su símbolo tiene la barra del cátodo doblada en forma de «Z».

Se conocen por su tensión y potencia: el 1N4733A es de 5,1 V y 1 W; el 1N4742A, de 12 V y 1 W. Para que no se queme hay que respetar su corriente máxima: I_Z,máx = P / V_Z. En el de 5,1 V y 1 W, esa cuenta da 1 W / 5,1 V ≈ 196 mA como tope teórico, y en la práctica se trabaja bastante por debajo. Un Zener siempre se conecta con una resistencia en serie que limite su corriente; sin ella, la corriente la fija la fuente y el diodo se destruye.

Por debajo de unos 5 V domina el efecto Zener propiamente dicho; por encima, el efecto de avalancha. En el taller no hace falta distinguirlos: lo que importa es la V_Z que dice el fabricante, con una tolerancia de ±5 % en la mayoría.

El diodo emisor de luz (LED)#

El LED es un diodo hecho de materiales como arseniuro de galio o nitruro de galio, en el que los electrones y huecos que se recombinan en la unión liberan su energía en forma de luz. El color depende del material, y también la caída de tensión en directa:

Color	Caída típica en directa
Rojo	1,8 a 2,0 V
Amarillo y verde	2,0 a 2,2 V
Azul y blanco	3,0 a 3,3 V

Un LED de 5 mm trabaja normalmente con 10 a 20 mA. No tiene resistencia interna que lo proteja: conectado directo a una fuente, la corriente se dispara y se quema en un instante. Siempre lleva una resistencia en serie. La pata larga es el ánodo; el lado plano del borde del plástico y la pata corta marcan el cátodo. El cálculo de esa resistencia se hace en el montaje del circuito.

Detección de fallas con el multímetro#

Casi todos los multímetros digitales tienen la posición de prueba de diodos (símbolo del diodo). Con el circuito apagado y el componente fuera de la placa, o por lo menos con una pata levantada, se mide en los dos sentidos:

1. Punta roja en el ánodo y negra en el cátodo (directa): un diodo de silicio en buen estado marca entre 0,5 y 0,7 V. Un LED rojo marca 1,6 a 2 V y puede encender débil.
2. Puntas invertidas (inversa): debe marcar «OL» o «1», es decir, infinito.

Lectura directa	Lectura inversa	Diagnóstico
0,5 a 0,7 V	OL	Buen estado
≈ 0 V (el aparato pita)	≈ 0 V	En cortocircuito
OL	OL	Abierto
Valor normal	Valor bajo, medible	Fuga excesiva

Para probar un Zener se necesita una fuente: con 12 V y una resistencia de 1 kΩ en serie, un 1N4733A debe quedar con una tensión cercana a 5 V entre sus terminales (corriente de (12 − 5,1) / 1 000 ≈ 7 mA; marca algo menos de 5,1 V porque el fabricante lo mide con una corriente mayor). Con el multímetro solo se descarta que esté en corto o abierto, no se verifica su V_Z.

Medir un diodo conectado en el circuito puede engañar porque otros caminos en paralelo dan lecturas falsas. Si hay capacitores en la placa, descárgalos antes con una resistencia, y siempre con el equipo desconectado.

Errores frecuentes#

• Leer la flecha del símbolo como el sentido de los electrones. Apunta en el sentido de la corriente convencional, del + al −.
• Poner un LED sin resistencia, «porque la fuente es de solo 5 V».
• Conectar un Zener directo a la fuente sin resistencia serie.
• Confundir ánodo y cátodo en el LED: la pata larga es el ánodo, el que va hacia el positivo.

Ponte a prueba#

¿Qué es la barrera de potencial de una unión PN y cuánto vale en el silicio?#

Un diodo de silicio se conecta en serie con una resistencia de 470 Ω y una fuente de 9 V, en directa. ¿Qué corriente circula?#

Al probar un 1N4007 con el multímetro en modo diodo, marca 0 V en un sentido y 0 V en el otro. ¿Qué diagnóstico das?#

¿Cuál es la corriente máxima que puede soportar un Zener de 12 V y 1 W, como valor teórico?#

Un LED rojo de 5 mm, ¿qué le pasa si se conecta directo a una batería de 9 V?#

Fuentes#

• Ministerio de Educación Pública — Programa de estudio de Electrónica, Educación Diversificada (MEP, Costa Rica) (PDF)