Juntando semiconductores: LEDs y rectificadores

Experientia docet Materia sólida Artículo 12 de 15

Foto: silviasuin13 / Pixabay

Una fotocélula formada a partir de un diodo n-p trabajando en sentido inverso es una cosa muy útil.

Si un electrón de conducción en un diodo n-p cae dentro de un hueco, emitirá el exceso de energía en forma de fotón, como lo haría un electrón en un átomo cuando salta a un estado cuántico más bajo. Si diseñamos el diodo de tal manera que emita fotones en el rango visible, podremos ver el efecto. Un diodo emisor de luz es lo que probablemente conozcas por las siglas de su nombre en inglés, light emitting diode, LED.

Estas luces LED, que generalmente son rojas, verdes o naranjas, y hasta azules [1], tiene muchas aplicaciones, desde indicarte con una lucecita en tu teléfono móvil que te ha llegado una notificación de tu aplicación favorita, hasta iluminar salas o decoraciones navideñas con un consumo energético muy bajo, pasando por monitores [2].

Sin embargo, uno de los mayores usos de los diodos n-p es en circuitos donde queremos que la corriente fluya solo en una dirección, pero en ningún caso en la dirección opuesta [3]. Esto se usa, por ejemplo, en los circuitos lógicos de los ordenadores, en los que una respuesta de «verdadero» o «falso», «sí» o «no», 0 o 1, se puede decidir permitiendo o no que la corriente fluya a través del dispositivo.

Un dispositivo que permite que una corriente fluya solo en una dirección también se puede usar para convertir una corriente alterna (AC), por ejemplo, la corriente de un enchufe de pared, en corriente continua (DC) para usar en dispositivos electrónicos pequeños. [4]

La corriente eléctrica comercial es alterna en un patrón ondulatorio a una velocidad o frecuencia de 60 ciclos por segundo (60 Hz). Si creamos un circuito cerrado que incluya el enchufe de pared de AC, un dispositivo para medir la corriente (un amperímetro) y un diodo n-p, la corriente en el cable irá en una sola dirección, lo que ocurre solo cuando el voltaje es positivo en el lado de tipo p y negativo en el lado de tipo n. Esta conversión de corriente AC a DC se llama rectificación, y los dispositivos quelo hacen son rectificadores. Son imprescindibles para usar dispositivos que aceptan solo corriente continua y solo tenemos acceso a electricidad comercial.

Rectificación de una corriente alterna trifásica (arriba) a una corriente continua (abajo, en negro). Fuente: Wikimedia Commons

Pero hay un inconveniente. El voltaje producido por el diodo n-p es solo positivo, pero su valor cambia constantemente y es cero durante un largo intervalo. Estos efectos se pueden reducir enviando la corriente a través de dispositivos electrónicos adicionales, conocidos como filtros, que ayudan a suavizar el voltaje a un valor constante, produciendo una corriente continua constante que luego puede alimentarse a un dispositivo electrónico de DC: un juego electrónico, una calculadora, una ordenador portátil, etc.

Estas propiedades de los semiconductores se vuelven aún más interesantes cuando agregamos un tercer semiconductor a nuestro diodo n-p y creamos un transistor.

Notas:

[1] Lo escribimos de esta forma porque un LED azul no es en absoluto algo trivial. Tanto es así que por conseguirlo los japoneses Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shuji Nakamura recibieron el Premio Nobel de Física, ¡en 2014!

[2] El último grito son las pantallas OLED, donde los diodos son moléculas orgánicas (en el sentido químico del término).

[3] Si vemos como funciona el diodo n-p, aquí, lo que sigue debería ser, si no obvio, sí relativamente fácil de entender.

[4] Los efectos de AC/DC pueden provocar ondas sísmicas mensurables. Aquí un espectacular vídeo ilustrativo.

P.S.:

Pablo Rodríguez-Sánchez (eScience Research Engineer del Netherlands eScience Center) nos escribe para recomendarnos esta auténtica maravilla. «Se trata de un simulador de circuitos sorprendentemente ligero y con una enorme potencia pedagógica. Tiene montones de circuitos preguardados (incluyendo diferentes tipos de rectificadores) y, lo más sorprendente, permite dibujar y simular tu propio circuito.» Muchas gracias, Pablo.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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