I
Caractersticas Bsicas del Diodo Semiconductor (Silicio y
Germanio)
II. OBJETIVOS:
1. Utilizar las caractersticas de operacin de los diodos
semiconductores.III. INTRODUCCION TEORCA:DIODO
Un diodo es un dispositivo que permite el paso de la corriente
elctrica en una nica direccin. De forma simplificada, la curva
caracterstica de un diodo (I-V) consta de dos regiones, por debajo
de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito
abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado
con muy pequea elctrica. Debido a este comportamiento, se les suele
denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de
convertir una corriente alterna en corriente continua.
DIODO PN O UNIN PN:Los diodos pn son uniones de dos materiales
semiconductores extrnsecos tipos p y n, por lo que tambin reciben
la denominacin de unin pn. Hay que destacar que ninguno de los dos
cristales por separado tiene carga elctrica, ya que en cada
cristal, el nmero de electrones y protones es el mismo, de lo que
podemos decir que los dos cristales, tanto el p como el n, son
neutros. (Su carga neta es 0).Al unir ambos cristales, se
manifiesta una difusin de electrones del cristal n al p (Je).
Formacin de la zona de carga espacial
Al establecerse estas corrientes aparecen cargas fijas en una
zona a ambos lados de la unin, zona que recibe diferentes
denominaciones como zona de carga espacial, de agotamiento, de
vaciado, etc.
A medida que progresa el proceso de difusin, la zona de carga
espacial va incrementando su anchura profundizando en los cristales
a ambos lados de la unin. Sin embargo, la acumulacin de iones
positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un
campo elctrico (E) que actuar sobre los electrones libres de la
zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondr
a la corriente de electrones y terminar detenindolos.
Este campo elctrico es equivalente a decir que aparece una
diferencia de tensin entre las zonas p y n. Esta diferencia de
potencial (V0) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V si los
cristales son de germanio.
La anchura de la zona de carga espacial una vez alcanzado el
equilibrio, suele ser del orden de 0,5 micras pero cuando uno de
los cristales est mucho ms dopado que el otro, la zona de carga
espacial es mucho mayor.
A (p)
C (n)
Reprepresentacin simblica del diodo pn
Al dispositivo as obtenido se le denomina diodo, que en un caso
como el descrito, tal que no se encuentra sometido a una diferencia
de potencial externa, se dice que no est polarizado. Al extremo p,
se le denomina nodo, representndose por la letra A, mientras que la
zona n, el ctodo, se representa por la letra C.
Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensin externa, se
dice que el diodo est polarizado, pudiendo ser la polarizacin
directa o inversa.
POLARIZACIN DIRECTA:
En este caso, la batera disminuye la barrera de potencial de la
zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de
electrones a travs de la unin; es decir, el diodo polarizado
directamente conduce la electricidad.
Para que un diodo est polarizado directamente, tenemos que
conectar el polo positivo de la batera al nodo del diodo y el polo
negativo al ctodo. En estas condiciones podemos observar que:
El polo negativo de la batera repele los electrones libres del
cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unin
p-n.
El polo positivo de la batera atrae a los electrones de valencia
del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos
hacia la unin p-n.
Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batera
es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga
espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energa
suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales
previamente se han desplazado hacia la unin p-n. Una vez que un
electrn libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de
carga espacial, cae en uno de los mltiples huecos de la zona p
convirtindose en electrn de valencia. Una vez ocurrido esto el
electrn es atrado por el polo positivo de la batera y se desplaza
de tomo en tomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual
se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batera.
De este modo, con la batera cediendo electrones libres a la zona
n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a travs
del diodo una corriente elctrica constante hasta el final.
POLARIZACIN INVERSA:
En este caso, el polo negativo de la batera se conecta a la zona
p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de
carga espacial, y la tensin en dicha zona hasta que se alcanza el
valor de la tensin de la batera, tal y como se explica a
continuacin:
El polo positivo de la batera atrae a los electrones libres de
la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el
conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batera. A
medida que los electrones libres abandonan la zona n, los tomos
pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su
electrn en el orbital de conduccin, adquieren estabilidad (8
electrones en la capa de valencia, ver semiconductor y tomo) y una
carga elctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones
positivos.
El polo negativo de la batera cede electrones libres a los tomos
trivalentes de la zona p. Recordemos que estos tomos slo tienen 3
electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los
enlaces covalentes con los tomos de silicio, tienen solamente 7
electrones de valencia, siendo el electrn que falta el denominado
hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la
batera entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que
los tomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su
orbital de valencia) y una carga elctrica neta de -1, convirtindose
as en iones negativos.
Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga
espacial adquiere el mismo potencial elctrico que la batera.
En esta situacin, el diodo no debera conducir la corriente; sin
embargo, debido al efecto de la temperatura se formarn pares
electrn-hueco (ver semiconductor) a ambos lados de la unin
produciendo una pequea corriente (del orden de 1 A) denominada
corriente inversa de saturacin. Adems, existe tambin una denominada
corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre
indica, conduce una pequea corriente por la superficie del diodo;
ya que en la superficie, los tomos de silicio no estn rodeados de
suficientes tomos para realizar los cuatro enlaces covalentes
necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los tomos de la
superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan
huecos en su orbital de valencia con lo que los electrones circulan
sin dificultad a travs de ellos. No obstante, al igual que la
corriente inversa de saturacin, la corriente superficial de fugas
es despreciable.
CURVA CARACTERSTICA DEL DIODO:
Tensin umbral, de codo o de partida (V). La tensin umbral
(tambin llamada barrera de potencial) de polarizacin directa
coincide en valor con la tensin de la zona de carga espacial del
diodo no polarizado. Al polarizar directamente el diodo, la barrera
de potencial inicial se va reduciendo, incrementando la corriente
ligeramente, alrededor del 1% de la nominal. Sin embargo, cuando la
tensin externa supera la tensin umbral, la barrera de potencial
desaparece, de forma que para pequeos incrementos de tensin se
producen grandes variaciones de la intensidad. Corriente mxima
(Imax).Es la intensidad de corriente mxima que puede conducir el
diodo sin fundirse por el efecto Joule. Dado que es funcin de la
cantidad de calor que puede disipar el diodo, depende sobre todo
del diseo del mismo.
Corriente inversa de saturacin (Is).Es la pequea corriente que
se establece al polarizar inversamente el diodo por la formacin de
pares electrn-hueco debido a la temperatura, admitindose que se
duplica por cada incremento de 10 en la temperatura.
Corriente superficial de fugas.Es la pequea corriente que
circula por la superficie del diodo (ver polarizacin inversa), esta
corriente es funcin de la tensin aplicada al diodo, con lo que al
aumentar la tensin, aumenta la corriente superficial de fugas.
Tensin de ruptura (Vr).Es la tensin inversa mxima que el diodo
puede soportar antes de darse el efecto avalancha.
Tericamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducir
la corriente inversa de saturacin; en la realidad, a partir de un
determinado valor de la tensin, en el diodo normal o de unin
abrupta la ruptura se debe al efecto avalancha; no obstante hay
otro tipo de diodos, como los Zener, en los que la ruptura puede
deberse a dos efectos:
Efecto avalancha (diodos poco dopados). En polarizacin inversa
se generan pares electrn-hueco que provocan la corriente inversa de
saturacin; si la tensin inversa es elevada los electrones se
aceleran incrementando su energa cintica de forma que al chocar con
electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de
conduccin. Estos electrones liberados, a su vez, se aceleran por
efecto de la tensin, chocando con ms electrones de valencia y
liberndolos a su vez. El resultado es una avalancha de electrones
que provoca una corriente grande. Este fenmeno se produce para
valores de la tensin superiores a 6 V.
Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto ms dopado est el
material, menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el
campo elctrico E puede expresarse como cociente de la tensin V
entre la distancia d; cuando el diodo est muy dopado, y por tanto d
sea pequeo, el campo elctrico ser grande, del orden de 3105 V/cm.
En estas condiciones, el propio campo puede ser capaz de arrancar
electrones de valencia incrementndose la corriente. Este efecto se
produce para tensiones de 4 V o menores.
Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos
especiales, como los Zener, se puede producir por ambos
efectos.
MODELOS MATEMTICOS:
El modelo matemtico ms empleado es el de Shockley (en honor a
William Bradford Shockley) que permite aproximar el comportamiento
del diodo en la mayora de las aplicaciones. La ecuacin que liga la
intensidad de corriente y la diferencia de potencial es:
Donde:
I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo y VD
la diferencia de tensin entre sus extremos.
IS es la corriente de saturacin
q es la carga del electrn
T es la temperatura absoluta de la unin
k es la constante de Boltzmann
n es el coeficiente de emisin, dependiente del proceso de
fabricacin del diodo y que suele adoptar valores entre 1 (para el
germanio) y del orden de 2 (para el silicio).
El trmino VT = kT/q = T/11600 es la tensin debida a la
temperatura, del orden de 26 mV a temperatura ambiente (300 K 27
C).
OTROS TIPOS DE DIODOS SEMICONDUCTORES:
Diodo avalancha
Fotodiodo
Diodo Gunn
Diodo lser
Diodo LED
Diodo p-i-n
Diodo Schottky
Diodo Shockley (diodo de cuatro capas)
Diodo tnel
Diodo Varactor
Diodo ZenerIV. MATERIAL Y EQUIPO:1. Un Multmetro digital.
Los multmetros digitales se identifican principalmente por un
panel numrico para leer los valores medidos, la ausencia de la
escala que es comn en los analgicos.
Lo que si tienen es un selector de funcin y un selector de
escala (algunos no tienen selector de escala pues el VOM la
determina automticamente). Algunos tienen en un solo selector
central.
El selector de funciones sirve para escoger el tipo de medida
que se realizar.
Multmetro Digital:
Marca: Fluke
N de serie: 64680428
2. Un Miliampermetro y un Micro ampermetro
3. Una Fuente de Corriente Continua Variable
4. Un Voltmetro de c.c.5. Cables y conectores.
Los cables cuyo propsito es conducir electricidad se fabrican
generalmente de cobre, aunque tambin se utiliza el aluminio, y
suelen estar rodeados de un material aislante con el propsito de
proteger el material y evitar el riesgo de electrocucin.
En las aplicaciones corrientes slo se emplean cables sin
recubrimiento protector cuando es imposible un contacto accidental
con ellos (lneas areas por ejemplo).
6. Resistencia de 100 (pero en esta experiencia hemos utilizado
una resistencia de 240 )Se denomina resistencia elctrica, R, a una
serie de elementos, que comienzan de una sustancia, a la oposicin
que encuentra la corriente elctrica para recorrerla. Su valor viene
dado en ohmios, se designa con la letra griega omega mayscula (), y
se mide con el hmetro.
7. Un Diodo Semiconductor de SI y uno de GE Diodo de silicio.
Diodo de germanioV. PROCEDIMIENTO:1. Usando el Ohmmetro, medir las
resistencias directa e inversa del diodo.Registrar los datos en la
tabla 1.
2. Armar el circuito de la figura 1.a) Ajustando el voltaje con
el potencimetro, observar y medir la corriente y el voltaje directo
del diodo, registrar sus datos en la tabla 2.
b) Invertir el diodo verificando al mismo tiempo la polaridad de
los instrumentos, proceder como en a), registrando los datos en la
tabla 3.
TABLA 1(Si)R directa() R inversa()
612 60M
TABLA 2:
V Vcc (v.) 0.45 0.5 0.6 0.75 1 1.21.92.73.23.54.5 5.8
IdId (mA.) 0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 2.5 5.0 8.0 10.0 12.0 15.0
20.0
V Vd (v.) 0.442 0.468 0.495 0.523 0.559
0.5880.6330.6660.6830.6960.713 0.734
TABLA 3:
Vcc (V.) 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 15.0 20.0
Vd (V.) 0.007 2.011 3.978 5.927 8.00 9.96 11.67 15.14 19.98
Id(A.)000000000
3. Usando el ohmimetro, medir las resistencias directa e inversa
del diodo de
Germanio.Registrar los datos en la tabla 4.TABLA 4 (Ge)
R directa () R inversa()
2760.132 M
4. Repetir el circuito de la figura 1 para el diodo de Germanio,
de manera similar al paso 2, proceder a llenar las tablas 5 y
6.TABLA 5:
Vcc (V.) 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 0.9 1.6 2.5 2.9 3.45 4.1 5.4
Id (mA.) 0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 2.5 5.0 8.0 10.0 12.0 15.0 20.0
Vd (v.) 0.165 0.188 0.214 0.242 0.274 0.297 0.337 0.368 0.383
0.397 0.414 0.435
TABLA 6:
Vcc (V.) 0.0 1.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 15.0 18.0 20.0
Vd (V.) 0.007 1.015 2.012 3.972 5.940 7.92 9.92 11.88 14.98
17.79 19.75
Id(A.)0 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 5 16 35
CUESTIONARIO FINAL:
1. Construir el grafico Id = f (Vd) con los datos de las tablas
2 y 3. (Si.)
Calcular la resistencia dinmica del diodo.
Calculando la resistencia dinmica:TABLA 2:
V Vcc (v.) 0.45 0.5 0.6 0.75 1 1.21.92.73.23.54.5 5.8
Id Id (mA.) 0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 2.5 5.0 8.0 10.0 12.0 15.0
20.0
V Vd (v.) 0.442 0.468 0.495 0.523 0.559
0.5880.6330.6660.6830.6960.713 0.734
Para a:
Para b:
Para c:
Para d:
Para e:
Para f:
Para g:
Para h:
Para i:
Para j:
Para k:
TABLA 3:
Vcc (V.) 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 15.0 20.0
Vd (V.) 0.007 2.011 3.978 5.927 8.00 9.96 11.67 15.14 19.98
Id(A.)000000000
Para a:
Para b:
Para c:
Para d:
Para e:
Para f:
Para g:
Para h:
2. Construir el grafico Id = f (Vd) con los datos de las tablas
5 y 6. (Ge.)
Calcular la resistencia dinmica del diodo.
Calculando la resistencia dinmica:
TABLA 5:
Vcc (V.) 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 0.9 1.6 2.5 2.9 3.45 4.1 5.4
Id (mA.) 0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 2.5 5.0 8.0 10.0 12.0 15.0 20.0
Vd (v.) 0.165 0.188 0.214 0.242 0.274 0.297 0.337 0.368 0.383
0.397 0.414 0.435
Para a:
Para b:
Para c:
Para d:
Para e:
Para f:
Para g:
Para h:
Para i:
Para j:
Para k:
TABLA 6:
Vcc (V.) 0.0 1.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 15.0 18.0 20.0
Vd (V.) 0.007 1.015 2.312 3.972 5.940 7.92 9.92 11.88 14.98
17.79 19.75
Id(A.)0 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 5 16 35
Para a:
103.16 kPara b:
KPara c:
KPara d:
7840 KPara e:
KPara f:
7920 KPara g:
KPara h:
6640 KPara i:
5188 KPara j:
K3. Interpretar los datos obtenidos en las tablas.
Para ambos casos (diodo de silicio y diodo de germanio) se dan
dos situaciones cuando se encuentran polarizados directamente e
inversamente.
Cuando se encuentran polarizados directamente la resistencia
dinmica es pequea por lo que se comportara como un circuito cerrado
dejando que fluya la corriente.
Cuando se encuentran polarizados inversamente la resistencia
dinmica es grande por lo que se comportara como un circuito abierto
impidiendo el paso de la corriente.
4. Explicar los controles de operacin de la fuente DC de la
fuente utilizadaEn la figura 1 se muestra la fuente de alimentacin
DC, indicando cada una de las partes que la componen.
Figura 1: fuente de alimentacin DC.
Para suministrar una determinada tensin al circuito mediante
esta fuente de alimentacin, se debe seguir los pasos que se detalla
a continuacin:
1. Se sita el interruptor de encendido (red) hacia abajo
(apagado).
2. Se coloca los mandos de ajuste fino y grueso de la tensin de
salida a cero.
3. Se conecta la fuente de alimentacin al resto del circuito
mediante los conectores rojo (+) y negro (-).
4. El mandoi. lmitees para limitar la intensidad suministrada
por la fuente: se debe colocar inicialmente en un valor medio.
5. Se selecciona el rango de la tensin deseada mediante el botn
correspondiente. Hay que tener presente esta seleccin a la hora de
leer el voltmetro que indica la tensin que est suministrando la
fuente6. Se pone el interruptor de encendido hacia arriba
(conectado).
7. Se ajusta la tensin de salida mediante los mandos de tensin
grueso y fino. Si es necesario se aumenta la intensidad lmite. En
este punto, conviene recordar que el voltmetro de la fuente de
alimentacin tiene poca precisin, de modo que proporciona un valor
aproximado de la tensin suministrada. Si se necesita conocer con
exactitud la tensin suministrada, se debe medir con un
voltmetro.
5. CONCLUSIONES: Un diodo permitir la conduccin de corriente
cuando se encuentra polarizado directamente. Se comportara como un
circuito cerrado.
Un diodo impedir la conduccin de corriente cuando se encuentre
polarizado inversamente. Se comportara como un circuito
abierto.
VI. BIBLIOGRAFA:
http://www.unicrom.com http://es.wikipedia.org Gua para
mediciones electrnicas y prcticas de laboratorio. Stanley Wolf y
Richard Smith.
EXPERIMENTO 3
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