M2S2 Tema 2 semiconductores.pdf

Colegio de Estudios Cientficos y Tecnolgicos del

Estado de Michoacn 05 Guacamayas.

Academia de Instrumentacin.

Mdulo II Sub mdulo II

Aplicar las teoras de semiconductores para los elementos activos en

circuitos elctricos

Tema 2 Semiconductores Apuntes de Electrnica Bsica El presente documento es una recopilacin de apuntes de diferentes autores modificados y acomodados de tal forma que forme parte de un apoyo terico en la incursin de la electrnica bsica para los estudiantes de instrumentacin del CECYTE 05 Guacamayas. M.C. dgar Campos Daz 10/09/2013

Mdulo II Sub mdulo II Academia de Instrumentacin

M.C. dgar Campos Daz Pgina 2

CONTENIDO

TEMA 1. INTRODUCCIN A LA ELECTRNICA 4

DEFINICIN DE ELECTRNICA 4

CLASIFICACIN DE LA ELECTRNICA 4

Electrnica fundamental 4

Electrnica aplicada 4

ORGANIZACIN DEL ESTUDIO DE LA ELECTRNICA 5

CONDUCTORES 6

TEMA 2. SEMICONDUCTORES 9

CRISTALES DE SILICIO 10

SEMICONDUCTORES INTRNSECOS 13

DOPADO DE UN SEMICONDUCTOR 14

Caso 1 14

Caso 2 15

SEMICONDUCTORES EXTRNSECOS 16

Semiconductor tipo n 16

Semiconductor tipo p 16

TEMA 3 DIODOS SEMICONDUCTORES 17

ESTRUCTURA INTERNA 17

ENCAPSULADOS 18

El smbolo elctrico 18

LA RESISTENCIA COMO DISPOSITIVO LINEAL 18

LA CURVA CARACTERSTICA DEL DIODO 20

La zona directa 20

Tensin Umbral 21

Resistencia interna. 21

Mxima corriente contina con polarizacin directa 21

Resistencia para limitacin de corriente 21

Disipacin mxima de la potencia 22

La zona inversa 22



MODELOS EQUIVALENTES LINEALES APROXIMADOS DEL DIODO 23

1 Aproximacin (el diodo ideal) 23

2 Aproximacin 24

3 Aproximacin 26

HOJA DE CARACTERSTICAS DE UN DIODO 27

Tensin inversa de ruptura 27

Corriente mxima con polarizacin directa 27

Corriente inversa mxima 28

PRCTICA 3. DIODO RECTIFICADOR 29

PRCTICA 4. DIODO RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA 33

TEMA 4. CLASES DE DIODOS 36

DIODOS DE UNIN 36

Rectificadores (Rectifiers) 36

Diodos de conmutacin (Switching diodes) 36

Diodo de ruptura (Breakdown diodes) 37

Diodos varactor 37

DIODOS TNEL 37

FOTODIODOS 37

Diodos fotoemisores 38

Diodos fotodetectores 38

PRCTICA 5. RECTIFICADOR BIFSICO DE ONDA COMPLETA. 39

PRCTICA 6. PUENTE RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA (PUENTE DE

GRAETZ) 44

PRCTICA 7. PUENTE RECTIFICADOR CON FILTRO CAPACITIVO Y CON

REGULACIN. (PARTE 1) 47

PRCTICA 8. PUENTE RECTIFICADOR CON FILTRO CAPACITIVO Y CON

REGULACIN. (PARTE 2) 51



TEMA 1. INTRODUCCIN A LA ELECTRNICA

DEFINICIN DE ELECTRNICA

rea de la ciencia y la tecnologa que trata de los fenmenos fsicos que tienen lugar al producirse

el movimiento de partculas cargadas en el vaco, los gases y los semiconductores.

Da soporte a las tecnologas de la informacin, es decir, tecnologas que permiten la adquisicin,

produccin, almacenamiento, procesado, comunicacin y presentacin de datos contenidos en

todo tipo de seales fsicas (acsticas, pticas, elctricas, etc...).

CLASIFICACIN DE LA ELECTRNICA

Electrnica Fundamental, Electrnica Aplicada e Ingeniera Electrnica

Electrnica fundamental

Estudio de los fenmenos fsicos en semiconductores (estado slido) y en estados gaseosos

(elevadas potencias como interfaces de antenas de radio y Televisin) .

Electrnica aplicada

Ciencia que estudia las caractersticas y la forma de interconectar los dispositivos para formar

circuitos y sistemas que controlan la energa elctrica en sus diversas formas. La convierten de una

a otra o procesan informacin representada de forma elctrica.

Dispositivos electrnicos

Estudio de sus grficos de funcionamiento y modelos considerndolo como un elemento fsico

cuya impedancia depende en general de la tensin aplicada entre dos o ms de sus terminales.



Circuitos y sistemas electrnicos

Controlar la energa elctrica en sus diversas formas

Controlar la conversin de una forma de energa en otra

Procesar informacin representada de forma elctrica, incluyendo la transmisin a

distancia

Existen circuitos electrnicos discretos (se distinguen los componentes que lo forman) y circuitos

electrnicos integrados (realizados en una sola pastilla de material semiconductor).

Circuitos integrados segn su escala de integracin:

SSI (Small Scale Integration): n dispositivos < 100

MSI (Medium Scale Integration): 100 < n dispositivos < 1.000

LSI (Large Scale Integration): 1.000 < n dispositivos < 10.000

VLSI (Very Large Scale Integration): 10.000 < n dispositivos < 100.000

ULSI (Ultra Large Scale Integration): 100.000 < n dispositivos < 1.000.000

GLSI (Giga Large Scale Integration): n dispositivos > 1.000.000

ORGANIZACIN DEL ESTUDIO DE LA ELECTRNICA

Electrnica analgica

Estudia los circuitos electrnicos cuyas variables pueden tomar infinitos valores dentro de unos

mrgenes.

Electrnica digital

Trata los circuitos electrnicos cuyas variables toman solamente un n discreto de valores (2 en el

caso ms general).

Electrnica de potencia

Es la parte de la electrnica aplicada que estudia los circuitos de conversin de formas de la

energa elctrica y de control de dicha energa (electrnica analgica de potencia y electrnica

digital de potencia).



CONDUCTORES

Un conductor es un material que, en mayor o menor medida, conduce el calor y la electricidad.

Son buenos conductores los metales y malos, el vidrio, la madera, la lana y el aire.

NOTA: Definimos la unidad de carga +1 como +1.6x10-19 culombios. As un electrn tiene una carga

-1 equivalente a -1.6x10-19 culombios.

El conductor ms utilizado y el que ahora analizaremos es el Cobre (valencia 1), que es un buen

conductor. Su estructura atmica la vemos en la siguiente figura.

Su nmero atmico es 29. Esto significa que en el ncleo hay 29 protones (cargas positivas) y

girando alrededor de l hay 29 electrones girando en diferentes rbitas.

En cada rbita caben 2n2 siendo n un nmero entero n = 1, 2, 3, ... As en la primera rbita (n = 1) caben 212 = 2 electrones. En la segunda rbita 222= 8 electrones. En la tercera rbita 232= 18

electrones. Y la cuarta rbita solo tiene 1 electrn aunque en ella caben 242= 32 electrones.

Lo que interesa en electrnica es la rbita exterior, que es la que determina las propiedades del

tomo. Como hay + 29 y - 28, queda con + 1.

Por ello vamos a agrupar el ncleo y las rbitas internas, y le llamaremos parte interna. En el

tomo de cobre la parte interna es el ncleo (+ 29) y las tres primeras rbitas (- 28), con lo que nos

queda la parte interna con una carga neta de +1.



Como el electrn de valencia es atrado muy dbilmente por la parte interna, una fuerza externa

puede liberarlo fcilmente, por eso es un buen Conductor. Nos referiremos a ese electrn de

valencia, como electrn libre.

Lo que define a un buen conductor es el hecho de tener un solo electrn en la rbita de valencia

(valencia 1).

As, tenemos que:

A 0 K (-273 C) un metal no conduce.

A Temperatura ambiente 300 K ya hay electrones libres debidos a la energa trmica.

- Si tenemos un campo elctrico aplicado los electrones libres se mueven en todas

direcciones. Como el movimiento es al azar, es posible que muchos electrones pasen por

unidad de rea en una determinada direccin y a la vez en la direccin opuesta. Por lo

tanto la corriente media es cero.

- Veamos ahora como cambia la situacin, si se aplica al metal un campo elctrico.

Los electrones libres se mueven ahora en una direccin concreta. Y por lo tanto ya hay carga (en

culombios) que cruza la seccin del metal en un segundo, o sea ya existe una corriente.



Como ya conocemos, el electrn tiene una carga negativa (-1,619E-19 culombios) y por tanto el

convenio tomado para definir la corriente (contrario al movimiento de las cargas negativas) nos

indica que la corriente toma el sentido indicado en la figura.

El electrn se mueve dentro de la red cristalina del metal con una velocidad media.

La resistencia que opone la barra de metal al paso de la corriente la podemos calcular de la

siguiente forma:



TEMA 2. SEMICONDUCTORES

Son elementos, como el germanio y el silicio, que a bajas temperaturas son aislantes. Pero a

medida que se eleva la temperatura o bien por la adiccin de determinadas impurezas resulta

posible su conduccin. Su importancia en electrnica es inmensa en la fabricacin de transistores,

circuitos integrados, etc...

Los semiconductores tienen valencia 4, esto es 4 electrones en rbita exterior de valencia. Los

conductores tienen 1 electrn de valencia, los semiconductores 4 y los aislantes 8 electrones de

valencia.

Los 2 semiconductores que veremos sern el Silicio y el Germanio:

Como vemos los semiconductores se caracterizan por tener una parte interna con carga + 4 y 4

electrones de valencia.



CRISTALES DE SILICIO

Al combinarse los tomos de Silicio para formar un slido, lo hacen formando una estructura

ordenada llamada cristal. Esto se debe a los "Enlaces Covalentes", que son las uniones entre

tomos que se hacen compartiendo electrones adyacentes de tal forma que se crea un equilibrio

de fuerzas que mantiene unidos los tomos de Silicio.

Vamos a representar un cristal de silicio de la siguiente forma:

Cada tomo de silicio comparte sus 4 electrones de valencia con los tomos vecinos, de tal manera

que tiene 8 electrones en la rbita de valencia, como se ve en la figura.

La fuerza del enlace covalente es tan grande porque son 8 los electrones que quedan ( aunque

sean compartidos ) con cada tomo, gracias a esta caracterstica los enlaces covalentes son de una

gran solidez.

Los 8 electrones de valencia se llaman electrones ligados por estar fuertemente unidos en los

tomos.

El aumento de la temperatura hace que los tomos en un cristal de silicio vibren dentro de l, a

mayor temperatura mayor ser la vibracin. Con lo que un electrn se puede liberar de su rbita,

lo que deja un hueco, que a su vez atraer otro electrn, etc.



A 0 K, todos los electrones son ligados. A 300 K o ms, aparecen electrones libres.

Esta unin de un electrn libre y un hueco se llama "recombinacin", y el tiempo entre la creacin

y desaparicin de un electrn libre se denomina "tiempo de vida".

Enlace covalente roto: Es cuando tenemos un

hueco, esto es una generacin de pares electrn

libre-hueco.

Segn un convenio ampliamente aceptado tomaremos la direccin de la corriente como contraria

a la direccin de los electrones libres.



Simulacin

En esta secuencia de imgenes podemos ver mediante una animacin el comportamiento de los

electrones en un cristal de silicio.

1 2

3 4

5 6

Los electrones libres (electrones) se mueven hacia la izquierda ocupando el lugar del hueco.

Carga del electrn libre = -1.6x10-19 Culombios. Los electrones ligados (huecos) se mueven hacia la

derecha

Semiconductores: Conducen los electrones (electrones libres) y los huecos (electrones ligados).

Conductores: Conducen los electrones libres.

Resumiendo: Dentro de un cristal en todo momento ocurre esto:



Por la energa trmica se estn creando electrones libres y huecos.

Se recombinan otros electrones libres y huecos.

Quedan algunos electrones libres y huecos en un estado intermedio, en el que han sido

creados y todava no se han recombinado.

SEMICONDUCTORES INTRNSECOS

Es un semiconductor puro. A temperatura ambiente se comporta como un aislante porque solo

tiene unos pocos electrones libres y huecos debidos a la energa trmica.

En un semiconductor intrnseco tambin hay flujos de electrones y huecos, aunque la corriente

total resultante sea cero. Esto se debe a que por accin de la energa trmica se producen los

electrones libres y los huecos por pares, por lo tanto hay tantos electrones libres como huecos con

lo que la corriente total es cero.

La tensin aplicada en la figura forzar a los electrones libres a circular hacia la derecha (del

terminal negativo de la pila al positivo) y a los huecos hacia la izquierda.

Simulacin

En esta ilustracin podemos ver mediante una animacin en que direccin se mueven los

electrones y los huecos en un semiconductor intrnseco.

Cuando los electrones libres llegan la extremo derecho del cristal, entran al conductor externo

(normalmente un hilo de cobre) y circulan hacia el terminal positivo de la batera. Por otro lado,

los electrones libres en el terminal negativo de la batera fluiran hacia el extremo izquierdo del

cristal. As entran en el cristal y se recombinan con los huecos que llegan al extremo izquierdo del

cristal. Se produce un flujo estable de electrones libres y huecos dentro del semiconductor



DOPADO DE UN SEMICONDUCTOR

Para aumentar la conductividad (que sea ms conductor) de un SC (Semiconductor), se le suele

dopar o aadir tomos de impurezas a un SC intrnseco, un SC dopado es un SC extrnseco.

Caso 1

Impurezas de valencia 5 (Arsnico, Antimonio, Fsforo). Tenemos un cristal de Silicio dopado con

tomos de valencia 5.

Los tomos de valencia 5 tienen un electrn de ms, as con una temperatura no muy elevada (a

temperatura ambiente por ejemplo), el 5 electrn se hace electrn libre. Esto es, como solo se

pueden tener 8 electrones en la rbita de valencia, el tomo pentavalente suelta un electrn que

ser libre.

Siguen dndose las reacciones anteriores. Si metemos 1000 tomos de impurezas tendremos 1000

electrones ms los que se hagan libres por generacin trmica (muy pocos).

A estas impurezas se les llama "Impurezas Donadoras". El nmero de electrones libres se

llama n (electrones libres/m3).



Caso 2

Impurezas de valencia 3 (Aluminio, Boro, Galio). Tenemos un cristal de Silicio dopado con tomos

de valencia 3.

Los tomos de valencia 3 tienen un electrn de menos, entonces como nos falta un electrn

tenemos un hueco. Esto es, ese tomo trivalente tiene 7 electrones en la orbita de valencia. Al

tomo de valencia 3 se le llama "tomo trivalente" o "Aceptor".

A estas impurezas se les llama "Impurezas Aceptoras". Hay tantos huecos como impurezas de

valencia 3 y sigue habiendo huecos de generacin trmica (muy pocos). El nmero de huecos se

llama p (huecos/m3).



SEMICONDUCTORES EXTRNSECOS

Son los semiconductores que estn dopados, esto es que tienen impurezas. Hay 2 tipos

dependiendo de que tipo de impurezas tengan:

Semiconductor tipo n

Es el que est impurificado con impurezas "Donadoras", que son impurezas pentavalentes. Como

los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n, reciben el nombre de

"portadores mayoritarios", mientras que a los huecos se les denomina "portadores minoritarios".

Al aplicar una tensin al semiconductor de la figura, los electrones libres dentro del semiconductor

se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. Cuando un hueco llega al

extremo derecho del cristal, uno de los electrones del circuito externo entra al semiconductor y se

recombina con el hueco.

Los electrones libres de la figura circulan hacia el extremo izquierdo del cristal, donde entran al

conductor y fluyen hacia el positivo de la batera.

Semiconductor tipo p

Es el que est impurificado con impurezas "Aceptoras", que son impurezas trivalentes. Como el

nmero de huecos supera el nmero de electrones libres, los huecos son los portadores

mayoritarios y los electrones libres son los portadores minoritarios.

Al aplicarse una tensin, los electrones libres se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen

hacia la derecha. En la figura, los huecos que llegan al extremo derecho del cristal se recombinan

con los electrones libres del circuito externo.

En el circuito hay tambin un flujo de portadores minoritarios. Los electrones libres dentro del

semiconductor circulan de derecha a izquierda. Como hay muy pocos portadores minoritarios, su

efecto es casi despreciable en este circuito.



TEMA 3 DIODOS SEMICONDUCTORES

ESTRUCTURA INTERNA

Los semiconductores tipo p y tipo n separados no tienen mucha utilidad, pero si un cristal se dopa

de tal forma que una mitad sea tipo n y la otra mitad de tipo p, esa unin pn tiene unas

propiedades muy tiles y entre otras cosas forman los "Diodos".

El tomo pentavalente en un cristal de silicio (Si) produce un electrn libre y se puede representar

como un signo "+" encerrado en un circulo y con un punto relleno (que sera el electrn) al lado.

El tomo trivalente sera un signo "-" encerrado en un circulo y con un punto sin rellenar al lado

(que simbolizara un hueco).

Entonces la representacin de un SC (Semiconductor) tipo n sera:

Y la de un SC (Semiconductor) tipo p:

La unin de las regiones p y n ser:

Al juntar las regiones tipo p y tipo n se crea un "Diodo de unin" o "Unin pn".



ENCAPSULADOS

El diodo es el dispositivo ms sencillo construido con una unin pn. Tiene dos terminales, uno

conectado a la unin p y otro conectado a la unin n, y un encapsulado que lo protege. Su

comportamiento es idntico al de una unin pn.

a) Estructura. b) Smbolo. c) Encapsulados.

El smbolo elctrico

En la figura anterior se muestra el smbolo elctrico de un diodo rectificador. El lado p se llama

nodo y el lado n es el ctodo. El smbolo del diodo es una flecha que apunta del lado p al lado n,

del nodo al ctodo. Por ello, la flecha del diodo recuerda que la corriente convencional circula

con facilidad del lado p al lado n. Si se trabaja con el flujo de electrones, hay que tener en cuenta

que stos fluyen en direccin opuesta a la de la flecha del diodo.

LA RESISTENCIA COMO DISPOSITIVO LINEAL

Antes de ver la curva caracterstica del diodo vamos a ver las caractersticas de la resistencia.

La resistencia de carbn tpica est formada por polvo de carbn machacado. Son importantes las

dimensiones del carbn.



Para analizar el comportamiento de esa resistencia la polarizaremos primero en directa y luego en

inversa. Se toman los valores con un Ampermetro y un Voltmetro y se representa la I en funcin

de V, con lo que tendremos el comportamiento de la resistencia.

Si polarizo al revs las ecuaciones son las mismas, pero las corrientes y las tensiones son negativas.

Entonces al final nos quedar de la siguiente forma:

A esta representacin se le llama "Curva Caracterstica" y es una recta, por ello se dice que la

resistencia es un "Elemento Lineal". Es ms fcil trabajar con los elementos lineales porque sus

ecuaciones son muy simples.



LA CURVA CARACTERSTICA DEL DIODO

Analizamos de la misma forma el diodo:

Se le van dando distintos valores a la pila y se miden las

tensiones y corrientes por el diodo, tanto en directa

como en inversa (variando la polarizacin de la pila). Y

as obtenemos una tabla que al ponerla de forma

grfica sale algo as:

Esta es la curva caracterstica del diodo (un diodo se comporta de esa forma). Como no es una

lnea recta, al diodo se le llama "Elemento No Lineal" "Dispositivo No Lineal", y este es el gran

problema de los diodos, que es muy difcil trabajar en las mallas con ellos debido a que sus

ecuaciones son bastante complicadas.

Enseguida veremos cada una de las zonas de trabajo de la curva caracteritica.

La zona directa

En la zona directa tenemos dos caractersticas importantes:

1. Hay que vencer la barrera de potencial (superar la tensin umbral) para que conduzca bien

en polarizacin directa (zona directa).

2. Aparece una resistencia interna (el diodo se comporta aproximadamente como una

resistencia.



Tensin Umbral

La grfica nos indica, en primer lugar, que la corriente es pequea para las primeras dcimas de

voltio. A medida que nos acercamos a 0,7 V, los electrones libres comienzan a cruzar la unin en

grandes cantidades. Para tensiones mayores de 0,7 V, el menor incremento en la tensin del diodo

produce un gran aumento en la corriente. La tensin para la que la corriente empieza a aumentar

rpidamente se llama tensin umbral del diodo. Para un diodo de silicio, la tensin umbral puede

aproximarse a la barrera de potencial, aproximadamente 0,7 V. Un diodo de germanio, por otra

parte, tiene una tensin umbral de aproximadamente 0,3 V.

Resistencia interna.

Para tensiones mayores que la tensin umbral, la corriente del diodo aumenta rpidamente. Esto

quiere decir que aumentos pequeos en la tensin del diodo originarn grandes aumentos en su

corriente. La causa es la siguiente: despus de superada la barrera de potencial, lo nico que se

opone a la corriente es la resistencia de las zonas p y n. A la suma de estas resistencias se le llama

resistencia interna del diodo. O sea,

rB = rP + rN

El valor de la resistencia interna depende del nivel de dopado y del tamao de las zonas p y n.

Normalmente, la resistencia interna de los diodos rectificadores es menor de 1.

Mxima corriente contina con polarizacin directa

Si la corriente en un diodo es demasiado grande, el calor excesivo destruir el diodo. Por esta

razn, la hoja de caractersticas que proporcionan los fabricantes especifica la corriente mxima

que un diodo puede soportar sin peligro de acortar su vida o degradar sus propiedades.

La corriente mxima con polarizacin directa es una de las limitaciones dadas en una hoja de

caractersticas. Esta corriente puede aparecer como IF(mx.), IO, etc; dependiendo del fabricante.

Por ejemplo un 1N456 tiene una corriente mxima de 135 mA. Este dato significa que puede

conducir con seguridad una corriente continua con polarizacin directa igual a 135 mA.

Resistencia para limitacin de corriente

Es necesario poner en serie una resistencia con el diodo

para evitar un dao al diodo por exceso de corriente a esta

resistencia se le conoce como resistencia limitadora de

corriente. Cuanto mayor sea la resistencia, menor ser la

corriente en el diodo. Como mnimo, la resistencia de

limitacin de corriente tiene que mantener la corriente del

diodo menor que la mxima corriente.



La corriente por el diodo viene dada por:

donde VP es la tensin de la fuente y VD es la tensin en el diodo. Esta ecuacin es la ley de Ohm

aplicada a la resistencia limitadora de corriente. En otras palabras, la tensin en la resistencia es

igual a VP - VD. Dividiendo esta tensin entre la resistencia se obtiene la corriente en la resistencia.

Como este es un circuito en serie, la corriente del diodo tiene el mismo valor que la corriente en la

resistencia.

Disipacin mxima de la potencia

La disipacin mxima de la potencia est estrechamente relacionada con la mxima corriente

continua con polarizacin directa. Como sucede con una resistencia, un diodo tiene una limitacin

de potencia. sta indica cunta potencia puede disipar el diodo sin peligro de acortar su vida ni

degradar sus propiedades. Cuando la corriente es continua, el producto de la tensin en el diodo y

la corriente en el diodo es igual a la potencia disipada por ste.

= ()

La zona inversa

En polarizacin inversa tenamos un corriente que estaba formada por la suma de los valores de

la corriente IS y la corriente de fugas IF:

Hay que tener cuidado, no hay que llegar a VR porque el diodo se rompe por avalancha (excepto si

es un Zener).



MODELOS EQUIVALENTES LINEALES APROXIMADOS DEL DIODO

Existen tres aproximaciones muy usadas para los diodos de silicio, y cada una de ellas es til en

ciertas condiciones.

1 Aproximacin (el diodo ideal)

La exponencial se aproxima a una vertical y una horizontal

que pasan por el origen de coordenadas. Este diodo ideal no

existe en la realidad, no se puede fabricar por eso es ideal.

Polarizacin directa: Es como sustituir un diodo por un interruptor cerrado.

Polarizacin inversa: Es como sustituir el diodo por un interruptor abierto.

Como se ha visto, el diodo acta como un interruptor abrindose o cerrndose dependiendo si

esta en inversa o en directa. Para ver los diferentes errores que cometeremos con las distintas

aproximaciones vamos a ir analizando cada aproximacin.



EJEMPLO:

En polarizacin directa:

2 Aproximacin

La exponencial se aproxima a una vertical y a una horizontal

que pasan por 0,7 V (este valor es el valor de la tensin

umbral para el silicio, porque suponemos que el diodo es de

silicio, si fuera de germanio se tomara el valor de 0,2 V).

El tramo que hay desde 0 V y 0,7 V es en realidad polarizacin

directa, pero como a efectos prcticos no conduce, se toma

como inversa. Con esta segunda aproximacin el error es

menor que en la aproximacin anterior.

Polarizacin directa: La vertical es equivalente a una pila de

0,7 V.



Polarizacin inversa: Es un interruptor abierto.

EJEMPLO: Resolveremos el mismo circuito de antes pero utilizando la segunda aproximacin que

se ha visto ahora. Como en el caso anterior lo analizamos en polarizacin directa:

Como se ve estos valores son distintos a los de la anterior aproximacin, esta segunda

aproximacin es menos ideal que la anterior, por lo tanto es ms exacta, esto es, se parece ms al

valor que tendra en la prctica ese circuito.



3 Aproximacin

La curva del diodo se aproxima a una recta que pasa por 0,7 V

y tiene una pendiente cuyo valor es la inversa de la resistencia

interna.

El estudio es muy parecido a los casos anteriores, la diferencia

es cuando se analiza la polarizacin directa:

EJEMPLO: En el ejemplo anterior usando la 3 aproximacin, tomamos 0,23 W como valor de la

resistencia interna.

Esta tercera aproximacin no merece la pena usarla porque el error que se comete, con respecto a

la segunda aproximacin, es mnimo. Por ello se usar la segunda aproximacin en lugar de la

tercera excepto en algn caso especial.



HOJA DE CARACTERSTICAS DE UN DIODO

La mayor parte de la informacin que facilita el fabricante en las hojas de caractersticas es

solamente til para los que disean circuitos, nosotros solamente estudiaremos aquella

informacin de la hoja de caractersticas que describe parmetros que aparecen en este texto.

Tensin inversa de ruptura

Estudiaremos la hoja de caractersticas del diodo 1N4001, un diodo rectificador empleado en

fuentes de alimentacin (circuitos que convierten una tensin alterna en una tensin continua).

La serie de diodos del 1N4001 al 1N4007 son siete diodos que tienen las mismas caractersticas

con polarizacin directa, pero en polarizacin inversa sus caractersticas son distintas.

Primeramente analizaremos las "Limitaciones mximas" que son estas:

Estos tres valores especifican la ruptura en ciertas condiciones de funcionamiento. Lo importante

es saber que la tensin de ruptura para el diodo es de 50 V, independientemente de cmo se use

el diodo. Esta ruptura se produce por la avalancha y en el 1N4001 esta ruptura es normalmente

destructiva.

Corriente mxima con polarizacin directa

Un dato interesante es la corriente media con polarizacin directa, que aparece as en la hoja de

caractersticas:

Indica que el 1N4001 puede soportar hasta 1 A con polarizacin directa cuando se le emplea como

rectificador. Esto es, 1 A es el nivel de corriente con polarizacin directa para el cual el diodo se

quema debido a una disipacin excesiva de potencia. Un diseo fiable, con factor de seguridad 1,

debe garantizar que la corriente con polarizacin directa sea menor de 0,5 A en cualquier

condicin de funcionamiento.



Los estudios de las averas de los dispositivos muestran que la vida de stos es tanto ms corta

cuanto ms cerca trabajen de las limitaciones mximas. Por esta razn, algunos diseadores

emplean factores de seguridad hasta de 10:1, para 1N4001 ser de 0,1 A o menos.

Cada de tensin con polarizacin directa

Otro dato importante es la cada de tensin con polarizacin directa:

Estos valores estn medidos en alterna, y por ello aparece la palabra instantneo en la

especificacin. El 1N4001 tiene una cada de tensin tpica con polarizacin directa de 0,93 V

cuando la corriente es de 1 A y la temperatura de la unin es de 25 C.

Corriente inversa mxima

En esta tabla esta la corriente con polarizacin inversa a la tensin continua indicada (50 V para un

1N4001).

Esta corriente inversa incluye la corriente producida trmicamente y la corriente de fugas

superficial. De esto deducimos que la temperatura puede ser importante a la hora del diseo, ya

que un diseo basado en una corriente inversa de 0,05 mA trabajar muy bien a 25 C con un

1N4001 tpico, pero puede fallar si tiene que funcionar en medios donde la temperatura de la

unin alcance los 100 C.



PRCTICA 3. DIODO RECTIFICADOR Nombre: ________________________________________________________________________

Fecha: _______________________ Grupo:_____________________

Objetivo: El alumno comprobara mediante datos experimentales el comportamiento del diodo

rectificador.

Trabajo previo: Investigar el comportamiento del diodo rectificador y estudiar el comportamiento

de la curva caracterstica del diodo y probar el diodo con un hmetro.

Desarrollo:

1. Investigar en el manual de remplazos las caractersticas tcnicas del diodo rectificador.

Smbolo Descripcin Valor

VRRM

IF(AV)

IFRM

Tj

VF

IR

2. Probar el diodo rectificador con un multmetro seleccionado en ohms.

Polarizacin Valor

Directa (terminal negativa del hmetro con el ctodo y la positiva con

el nodo)

Inversa (terminal negativa del hmetro con el nodo y la positiva con

el ctodo)



3. Arma el siguiente circuito de la Figura 1 en el protoboard y graficar el voltaje en el diodo

contra la corriente en el diodo.

Figura.1 Diodo rectificador polarizacin directa.

4. Anota el material y equipo empleado:

5. Completa la siguiente tabla, efectuando las mediciones necesarias.

VCC Idiodo Vdiodo VR

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Tabla 1. Valores representativos de los diferentes parmetros del circuito de la Fig.1

V112 V

D1

1N4004

R1

1k

1%

1 2

0

Fuente variable

de 0 a 12 V

Fig. 3.2 Diodo rectificador en polarizacion directa



6. Arma el siguiente circuito de la Figura 2 en el protoboard. y graficar el voltaje en el diodo

contra la corriente en el diodo.

Figura.2 Diodo rectificador polarizacin inversa.

7. Completa la siguiente tabla, efectuando las mediciones necesarias.

VCC Idiodo Vdiodo VR

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Tabla 4. Valores representativos de los diferentes parmetros del circuito de la Fig. 2

8. Contesta las siguientes preguntas involucrando lo aprendido en clases y lo practicado en

laboratorio.

V212 V

D2

1N4004

R2

1k

1%

Fuente variable

de 0 a 12 V

Fig. 3.3 Diodo rectificador en polarizacin inversa

0

3

4



Cuestionario:

1. Explicar el funcionamiento del diodo rectificador.

2. Cuantos tipos de diodos rectificadores segn su composicin qumica existen y cuales son

sus caractersticas?

3. Cual es la forma en que podemos detectar si un diodo rectificador est daado?

4. Como funciona el diodo rectificador en ca?

5. Como se identifican fsicamente las terminales de un diodo rectificador?

6. Que es un material n?

7. Que es un material p?

8. Que entiendes por dopado de un material?

9. Porque se dice que el diodo es un semiconductor?

10. Cuales son las caractersticas de un diodo en polarizacin inversa?



PRCTICA 4. DIODO RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

Nombre: ________________________________________________________________________

Fecha: _______________________ Grupo:_____________________

Objetivo: El alumno comprobara mediante datos experimentales el comportamiento del diodo

rectificador de media onda.

Trabajo previo: Investigar el comportamiento del diodo rectificador de media onda y estudiar el

comportamiento del mismo en C.A. y calcular el voltaje pico

Desarrollo:

1. Montar el circuito rectificador de media onda, que se muestra en la figura 1, con una

resistencia de carga RL de 10k. La amplitud de la seal sinusoidal debe ser del transformador

de la terminal central (derivacin central) a cualquiera de las terminales de los extremos.

Figura 1. Rectificador de media onda

Clculos.

2. Calcular Voltaje en la resistencia de carga RL (10k).

Formula Valor Terico

(VT)

Vrms

Vp

Vm o VCD

Im

Frecuencia



Medidas

3. Mide las seales en el punto A (entrada) y B(salida) con el osciloscopio y dibuja las seales

respetando la forma de onda y el numero de divisiones horizontales y verticales.

Seal A Seal B

# cuadros Time/div

T=

# cuadros Volt/div

Vp=

4. Comparar el resultado medido de la seal B con el calculado en el punto 2

Valor medido

(Seal B)

Valor Terico

(punto 2)

% de error

Vp=

5. Medir la tensin de salida con el multmetro seleccionado en continua. Esta ser la tensin

medida, VCD.

VCD = ______________

# cuadros Time/div

T=

# cuadros Volt/div

Vp=



6. Calcular la corriente medida como:

=

=

=

7. Medir la corriente media, ICD, que circula por RL (multmetro en corriente continua),

compararla con el resultado obtenido anteriormente

ICD Medido ICD Calculado % error porcentual

8. Comprobar que para el rectificador de media onda se cumple:

= =

=

=

VCD Medido VCD Calculad % error porcentual



TEMA 4. CLASES DE DIODOS Ya hemos visto que un diodo es un dispositivo basado en la unin pn. La unin tiene propiedades,

como la rectificacin, la conduccin en inversa en el voltaje de ruptura y la deteccin y emisin de

luz. Todas estas propiedades se utilizan en la fabricacin de diodos, potenciando una u otras

caractersticas segn sea la funcin del diodo. Distinguimos bsicamente cuatro clases de diodos:

los diodos de unin, los diodos tnel, los fotodiodos y los diodos emisores de luz.

DIODOS DE UNIN

Los diodos de unin son los basados en las propiedades ya descritas de la unin pn. En este grupo

se incluyen los diodos rectificadores, los diodos de conmutacin, los diodos de ruptura (zener) y

los varactores.

Rectificadores (Rectifiers)

La propiedad ms obvia de la unin pn es su carcter unilateral, es decir, la corriente slo puede ir

en una direccin. Recordemos que un diodo ideal es un interruptor, y un buen rectificador debe

acercarse a esta caracterstica. La corriente inversa debe ser casi despreciable, y la tensin inversa

de ruptura debe ser grande, mientras que la tensin umbral debe ser lo ms pequea posible.

A la hora de disear un diodo rectificador, habr que tener en cuenta la amplitud de la banda

prohibida (entre la banda de valencia y la de conduccin). La corriente inversa de saturacin

decrementa cuando se incrementa la banda. Tambin la temperatura afecta menos al

semiconductor cuanto mayor es la banda. Como los rectificadores a menudo se someten a altas

corrientes directas, la temperatura sube, y por eso, interesa una banda grande, a pesar del

inconveniente de la tensin umbral. El silicio se prefiere al germanio por su banda prohibida ms

amplia, sus bajas corrientes de fuga y su alta tensin de ruptura.

El encapsulado tambin se tiene en cuenta. Para los diodos rectificadores que se usen en circuitos

con bajas corrientes se puede utilizar el cristal o plstico. Sin embargo, para corrientes altas donde

se debe disipar mucho calor se requieren encapsulados especiales. Un rectificador tpico de silicio

para corrientes altas es el que se monta en un disco de tungsteno o molibdeno.

Diodos de conmutacin (Switching diodes)

Cuando nos referamos a los diodos rectificadores, decamos que era importante minimizar la

corriente inversa y la tensin umbral. En muchas aplicaciones, el tiempo de respuesta es muy

importante. Un diodo de unin puede ser usado como interruptor, y el tiempo entre conexin y

desconexin debe ser casi cero. Para que el diodo tenga estas propiedades debe tener muy pocas

cargas fijas o portadores con un tiempo de vida muy corto, o ambas caractersticas.

Para este propsito, la tcnica ms utilizada para fabricar diodos de conmutacin es aadir al

semiconductor un metal que sea eficaz para disminuir los potadores. En el caso de los diodos de

silicio, se suele dopar con oro.



Diodo de ruptura (Breakdown diodes)

La tensin de ruptura puede variar segn el tipo de dopaje realizado. Existen dos tcnicas: un

fuerte dopado llamado efecto zener, o una alta ionizacin I llamado efecto avalancha. Cuando un

diodo se disea para un especfico voltaje de ruptura, recibe el nombre de diodo de ruptura. A

estos diodo se les suele llamar diodos zener, pero hay que matizar que slo lo sern cuando el

mtodo de fabricacin sea el del alto dopado. Actualmente, la mayora de diodos de ruptura estn

construidos basndose en el efecto avalancha. Este error en la terminologa se debe a que la

tensin de ruptura se representa po UZ utilizando la abreviatura de zener. Estos diodos se utilizan

como reguladores de tensin en circuitos con entradas variables.

Diodos varactor

Al aumentar la tensin inversa, aumenta la barrera de potencial y, por consiguiente, hay una

disminucin de la capacidad de la unin pn. Esta caracterstica se aprovecha para modular la

frecuencia de los transistores de FM, para generacin de armnicos y filtros activos.

DIODOS TNEL

Los diodos tnel estn formados bsicamente por una unin pn, pero a diferencia del diodo

semiconductor bsico, las dos partes de germanio tienen un dopado fortsimo.

Cuando se polariza el diodo directamente y se somete a pocos voltios (por debajo de la tensin

umbral de un diodo normal), la corriente asciende rpidamente. Llegado un punto mximo, la

corriente disminuye a medida que la tensin va aumentando. Luego sigue el comportamiento de

un diodo normal.

El trozo de curva comprendido entre la cresta y el descenso de corriente nos interesa porque

corresponde a un dispositivo con resistencia negativa (en una corriente negativa, la pendiente ser

negativa).

La resistencia negativa de un diodo tnel puede ser utilizada en numerosas aplicaciones: para

conmutaciones, osciladores y amplificacin. Este amplio margen de aplicaciones concuerda con el

hecho de que este diodo no presenta retardos y, por eso, se utiliza mucho para conmutadores

muy rpidos. Sin embargo, presenta el inconveniente de no soportar altas corrientes, y esto hace

que se prefieran otros dispositivos ms lentos en multitud de ocasiones.

FOTODIODOS

Recordemos que podemos estudiar tres comportamientos cuando aplicamos luz a una unin pn: el

de la polarizacin directa, inversa y la generacin de corriente continua. El primer

comportamiento nos lleva a la construccin de diodos fotoemisores, el segundo a los

fotodetectores y, por ltimo, la generacin de corriente continua corresponde a las clulas

solares.



Diodos fotoemisores

(Figura 11). Es una unin pn que tiene la propiedad de emitir la energa en forma de radiaciones

luminosas, adems de en forma de calor, cuando conduce.

Segn el material semiconductor que se utilice, la radiacin puede ser visible o invisible. En el

primer caso hablamos de diodos LED, en los que la luz puede ser roja, verde o amarilla, y en el

segundo de IRED, en los que se emiten infrarrojos.

Sus aplicaciones son numerosas y muy cotidianas: sealizadores individuales, o visualizadores

alfanumricos, para representar smbolos y letras (en las calculadoras antiguas se utilizaban de

color verde). Tienen la ventaja de tener una gran visibilidad y el inconveniente de que necesitan

corrientes elevadas. Por eso, han sido sustituidos por los fabricados con LCD (indicador de cristal

lquido), aunque estos ltimos tengan mucha menos visibilidad y sean ms sensibles a cualquier

colisin.

Diodos fotodetectores

Cuando el diodo opera en el tercer cuadrante (polarizacin inversa), la corriente es independiente

del voltaje, pero es proporcional a la energa luminosa. Como dispositivo podemos medir

mediante la corriente los niveles de iluminacin o convertir las variaciones de seales pticas.

En muchas de las aplicaciones, la velocidad de la respuesta es crtica. Por ejemplo, si el fotodiodo

tiene que responder a una serie de impulsos luminosos separados por 1 ns, el tiempo de respuesta

del fotodetector tiene que ser mucho menor que 1 ns.



PRCTICA 5. RECTIFICADOR BIFSICO DE ONDA COMPLETA.

Nombre: ________________________________________________________________________

Fecha: _______________________ Grupo:_____________________

Objetivo: El alumno comprobara mediante datos experimentales el comportamiento del diodo en

un rectificador bifsico de onda completa.

Trabajo previo: Investigar el comportamiento del diodo en un rectificador bifsico de onda

completa y estudiar el comportamiento del mismo en C.A. y calcular el voltaje pico

Desarrollo:

1. Montar el circuito rectificador bifsico de onda completa, que se muestra en la figura 1, con

una resistencia de carga RL de 10k.

Figura 1. Rectificador de media onda

Clculos.



(VT)

Vrms

Vp

Vm o VCD

Im

Frecuencia



Medidas

3. Ahora mediremos el desfasaje de los voltajes de entrada V1 y V2 con los dos canales del

osciloscopio respectivamente, como se muestra en la figura.

4. Grafica las dos seales lo mejor que puedas en la misma cuadricula con diferente color para

que puedas indicar los grados del desfasaje, respetando la forma de onda y el numero de

divisiones horizontales y verticales.

Seales

Indica el desfasamiento entre V1 y V2: _____________

CH1 # cuadros Time/div

T=

# cuadros Volt/div

Vp=


T=

# cuadros Volt/div

Vp=



5. Mide las seales rectificadas por cada diodo (rectificacin de media onda individual) como se

muestra en la siguiente figura, utilizando los dos canales, grafcalas con diferente color en la

misma cuadricula respetando la forma de onda y el nmero de divisiones horizontales y

verticales.

Seales

Indica el desfasamiento entre V1 y V2: _____________


T=

# cuadros Volt/div

Vp=


T=

# cuadros Volt/div

Vp=



6. Por ultimo se mide, compara y grafica las seales de entrada y salida de rectificador bifsico

de onda completa que se obtiene de la resistencia de carga, utilizando un solo canal, como se

muestra en la siguiente figura.

Seal entrada (punto A) Seal salida (punto B)

# cuadros Time/div

T=

# cuadros Volt/div

Vp=


Valor medido

(Seal B)

Valor Terico

(punto 2)

% de error

Vp=

# cuadros Time/div

T=

# cuadros Volt/div

Vp=




medida, VCD.

VCD = ______________


=

=

=




11. Comprobar que para el rectificador de media onda se cumple:

= =

=

=




PRCTICA 6. PUENTE RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA

(PUENTE DE GRAETZ)

Nombre: ________________________________________________________________________

Fecha: _______________________ Grupo:_____________________

Objetivo: El alumno comprobara mediante datos experimentales el comportamiento del puente

rectificador de onda completa.

Trabajo previo: Investigar el comportamiento del puente rectificador de onda completa y estudiar

el comportamiento del mismo en C.A. y calcular el voltaje pico

Desarrollo:

1. Montar el circuito del puente rectificador de onda completa, que se muestra en la figura 1,

con una resistencia de carga RL de 10k. La amplitud de la seal sinusoidal debe ser del

transformador de las terminales de los extremos, no se utiliza la terminal central (derivacin

central).

Figura 1. Puente rectificador de onda completa

Clculos.



(VT)

Vrms

Vp

Vm o VCD



Im

Frecuencia

Medidas

3. Mide las seales en el punto A (entrada) y B(salida) con el osciloscopio y dibuja las seales

respetando la forma de onda y el numero de divisiones horizontales y verticales.

Seal A Seal B

# cuadros Time/div

T=

# cuadros Volt/div

Vp=


Valor medido

(Seal B)

Valor Terico

(punto 2)

% de error

Vp=

# cuadros Time/div

T=

# cuadros Volt/div

Vp=




medida, VCD.

VCD = ______________


=

=

=




8. Comprobar que para el rectificador de onda completa se cumple:

= =2

=

=




PRCTICA 7. PUENTE RECTIFICADOR CON FILTRO

CAPACITIVO Y CON REGULACIN. (parte 1) Nombre: ________________________________________________________________________

Fecha: _______________________ Grupo:_____________________

Objetivo: El alumno comprobara mediante datos experimentales la filtracin de la seal de salida

del puente rectificador de onda completa.

Trabajo previo: Investigar el comportamiento del puente rectificador de onda completa y estudiar

el comportamiento del filtrado y de la estabilizacin por medio de unos reguladores de la seal

rectificada de onda completa, y los conceptos de filtrado factor de rizado.

Desarrollo:

1. Montar el circuito del puente rectificador de onda completa, que se muestra en la figura, con

una resistencia de carga RL de 10k. y con los siguientes capacitores: 4.7F, 22F y 470F. La

amplitud de la seal sinusoidal debe ser del transformador de las terminales de los extremos,

no se utiliza la terminal central (derivacin central).

Clculos. 2. Calcular voltaje, corriente y frecuencia.


(VT)

Vrms

Vp

Vm o VCD

Im

Frecuencia



3. Mide y grafica la seal en el Punto A, el voltaje rizo pico pico y el periodo para cada situacin,

cambiando el capacitor segn sea el caso.

Seal 1 (C = 4.7F) Seal 2 (C = 22F)

# cuadros Time/div

T=

# cuadros Volt/div

Vr(pp)=

Seal 3 (C = 470F)

# cuadros Time/div

T=

# cuadros Volt/div

Vr(pp)=

# cuadros Time/div

T=

# cuadros Volt/div

Vr(pp)=



4. Mediremos la corriente de salida o de carga y el voltaje de salida o de carga y lo compraremos

con el valor calculado (terico) para cada capacitor.

Capacitor 4.7F



Capacitor 22 F



Capacitor 470 F





5. Ahora calcularemos la tensin de rizado (Vr(pp)) con base a la corriente de salida (Im) y el valor del capacitor (C) para cada uno de los capacitores.

() = (

) (1 104)

Capacitor 4.7F

Vr(pp) Medido Vr(pp) Calculado % error porcentual

Capacitor 22 F


Capacitor 470 F


6. Por ltimo calcularemos el factor de rizado (Fr) con base al voltaje de salida (Vm) y el valor del

voltaje de rizado (Vr(pp)) para cada uno de los capacitores.

= (()

22 )

Capacitor 4.7F


Capacitor 22 F


Capacitor 470 F




PRCTICA 8. PUENTE RECTIFICADOR CON FILTRO

CAPACITIVO Y CON REGULACIN. (parte 2) Nombre: ________________________________________________________________________

Fecha: _______________________ Grupo:_____________________

Desarrollo:

1. Montar el circuito del puente rectificador de onda completa, que se muestra en la figura, con la etapa de filtrado a la entrada y a la salida del regulador LM7805 y donde se compararan los voltajes de entrada y salida.

2. Por ltimo se mide, compara y grafica las seales de entrada y salida de rectificador bifsico




# cuadros Time/div

T=

# cuadros Volt/div

Vp=

# cuadros Time/div

T=

# cuadros Volt/div

Vp=



3. Ahora mide tanto en el punto A como en el punto B el voltaje de cd y contesta la pregunta

Cuntos volts regula y existe un cambio entre el valor obtenido con el osciloscopio y con el

multmetro? Si o no y Por qu?

Vcd (punto A) = _______________

Vcd (punto B) = _______________

RESPUESTA A LA PREGUNTA:

_____________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________



4. Montar el circuito del puente rectificador de onda completa, que se muestra en la figura, con la etapa de filtrado a la entrada y a la salida del regulador LM7805 y donde se compararan los voltajes de entrada y salida.

5. Por ltimo se mide, compara y grafica las seales de entrada y salida de rectificador bifsico




# cuadros Time/div

T=

# cuadros Volt/div

Vp=

# cuadros Time/div

T=

# cuadros Volt/div

Vp=



6. Ahora mide tanto en el punto A como en el punto B el voltaje de cd y contesta la pregunta

Cuntos volts regula y existe un cambio entre el valor obtenido con el osciloscopio y con el

multmetro? Si o no y Por qu?

Vcd (punto A) = _______________

Vcd (punto B) = _______________

RESPUESTA A LA PREGUNTA:

_____________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

M2S2 Tema 2 semiconductores.pdf

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