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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