Fisica Informe

TEMA: SEMICONDUCTORES Y DIODOS OBJETIVOS: -

Conocer las propiedades de los Semiconductores. Semiconductores. Explicar el comportamiento de la unión P - N. Características de un diodo semiconductor, tanto en el sentido de conducción como en el sentido de bloqueo. bl oqueo. Estudio del diodo Zener.

TEORÍA: Los sólidos presentan una característica fundamental que es su conductividad eléctrica. En los semiconductores cuya conductividad es menor que en los metales, ella aumenta con la temperatura. Entre ellos tenemos el Germanio y el Silicio. Los electrones de valencia de los semiconductores son solo 4 y como tal pueden  juntarse simétricamente entre ellos, mediante mediante cuatro enlaces covalentes covalentes en su estructura. Debido a que estos electrones de valencia no pueden moverse libremente, esto es, están ligados, no sirven para conducir la corriente eléctrica, sin embargo pueden hacerlo, si se lograse liberar un electrón de valencia ligado. Utilizando para ello cualquier sistema de excitación, debido al rompimiento de un enlace interatómico. Los electrones del semiconductor liberados se moverán en sentido contrario al campo eléctrico. Cuando un electrón de valencia ligado esta en las proximidades del hueco que dejo otro electrón al liberarse, el primero puede saltar a este enlace libre. En este caso, el hueco habría avanzado un paso en sentido contrario. Es de suponer, que por encima del nivel superior de los electrones de valencia y separados por una distancia definida, existe otra banda de niveles de conducción, esta  banda permite el el movimiento de los electrones, electrones, pero a temperatura temperatura ambiente, permanece permanece vacía. Entonces para que suban los electrones a este nivel es necesario excitarlos y en consecuencia posibilitan la conducción eléctrica. En los semiconductores esta distancia entre bandas es bien pequeña, de tal manera que, a temperatura ambiente, existirán algunos electrones excitarlos en esta banda de conducción. Debido a factores excitadores se producen en el semiconductor pares formados por un electrón libre y un hueco y pueden estar en circunstancias de conducir la corriente eléctrica. Se dice entonces que se encuentran en estado de conducción intrínseca. Existen, desde luego, otra forma de producir la conductividad en el semiconductor, y es introduciendo a propósito un electrón libre. Esto se logra introduciendo en el cristal un átomo extraño adecuado. Este proceso se denomina DOPADO (Conducción extrínseca).

En el caso del Germanio (tetravalente) le agregamos trazas de arsénico, fósforo o antimonio (pentavalente). En estas condiciones, solamente 4 de los 5 electrones de valencia del arsénico se enlazan con las 4 valencias normales de los átomos del Germanio contiguos. Como sobra un quinto electrón ligado al átomo cuya energía de ionización es pequeña, a temperatura ambiente, pasara a la banda de conducción. Una impureza de la que se desprenden electrones libres, se denominada donador y transforman el semiconductor en conductor por exceso y se dice que el cristal está  provisto de dopado N. También es posible poner un semiconductor en condiciones que conduzca electricidad,  por dotado P. Al agregar boro, indio o galio (Trivalente) al germanio, sus tres electrones de valencia se combinan con tres de los cuatro átomos contiguos de germanio. Queda sin formarse el cuarto enlace posible y la falta de un electrón da lugar a un hueco, a temperatura ambiente este puede moverse libremente. Una impureza de la que resulten huecos o mejor dicho que absorba electrones ligados, se denomina aceptor y transforma el semiconductor en conductor por huecos o defecto y se dice que el cristal está provisto de dopado P. En consecuencia, tanto los metales como los semiconductores y aislantes se diferencian  por los distintos tipos de enlaces de los cristales, por eso los metales conducen siempre la corriente eléctrica mientras que los semiconductores solo dejan pasar la corriente si se los imparte energía o se dopan suficientemente si se los imparte energía o se dopan suficientemente. Por esta razón, muchos componentes importantes de semiconductores se componen de distintas capas que se han vuelto conductores por dopado del tipo N o P, este es el caso de los diodos. Una unión P-N es la zona de transición de un sector del cristal, silicio o germanio, con conducción P a otra conducción N, del mismo cristal. Con el desplazamiento de los portadores de carga va vinculado el paso de una corriente eléctrica, llamada corriente de difusión. El establecimiento de la tensión de difusión en la unión P-N se debe a que en los sectores de conducción P y N es muy diferente la concentración de los electrones libres (o de los huecos), y estos tienden a compensar dicha diferencia de concentración, mediante el movimiento térmico, además, existirá una nivelación en los niveles de Fermi dependiente de la cantidad de impureza tipo N o P. Debido a que los electrones libres y los huecos desaparecen por difusión a ambos lados de la unión P-N, en las inmediaciones de esta apenas quedan portadores de carga libres, lo cual indica que dicha zona presenta una resistencia óhmica relativamente alta. En consecuencia el semiconductor tiene la característica poco común de que su resistencia eléctrica en una dirección es muchísima mayor que en otra.

Si se aplica una fuente de tensión exterior a una unión P-N de tal manera que el polo  positivo está conectado al sector P y el polo negativo al de conducción N, al inicio fluirá una corriente muy pequeña, pero una vez superado la tensión de difusión, aumenta en forma pronunciada. Este sentido de flujo se denomina sentido de conducción de la unión P-N. Si invertimos la polaridad de la tensión exterior, se impedirá el paso de la corriente, aunque se aplica tensiones elevadas a este sentido de flujo se denomina sentido de  bloqueo y su respectiva tensión de bloqueo. Sin embargo, los centros de recombinación suministran portadores de carga libres, entonces fluirá una corriente de baja intensidad, llamada corriente inversa o de bloqueo. Es precioso anotar, la rigidez dieléctrica de los semiconductores es limitada y pasado un valor critico, esto es la intensidad critica de campo, perderá su capacidad de bloqueo,  por cuanto la corriente inversa aumenta rápidamente, a modo de avalancha debido a una especie de reacción en cadena. Este fenómeno se denomina también descarga Zener.

EQUIPO:

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Tablero de Circuitos Eléctricos Fuente de tensión DC

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Voltímetros DC

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Amperímetros DC

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Multímetro

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Resistencias fijas y variables

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Diodo de Germanio, Silicio y Zener

PROCEDIMIENTO: Para determinar la característica de conducción del diodo utilice el siguiente circuito eléctrico en donde al diodo de le aplica una tensión en el sentido de conducción. Mantenga la resistencia de carga en su máximo valor y fije los instrumentos de medición en el tablero que contiene el circuito eléctrico. Varíe la tensión de entradas (Ue) en pasos de 1 voltio y determine la caída de tensión directa en el diodo (Ud), mida también la corriente de entrada (Ie), la corriente directa que atraviesa el diodo (Id) y la tensión de salida (Us). Trabaja primero con el diodo de Germanio, Silicio y Zener.

Para definir la característica de bloqueo del diodo, conmute la polaridad del circuito y mida los mismos parámetros físicos, mencionados anteriormente. Los límites de tensión de entrada, tanto para la característica de conducción como del  bloque, dependerán del tipo de diodo que se utilice, para ello consulte las características respectivas.

TABULACION DE DATOS: Los datos que ha obtenido en esta experiencia, ordénelos de la siguiente manera:

Tipo de Diodo:  Zener Tensión de entrada: Ue V 1 Corriente de entrada: Ie A 0.04 Tensión del diodo: Ud V 0.29 Corriente del diodo: Id A 0.04 Tensión de salida: Us V 0.29

2 0.1 0.42 0.08 0.41

3 4 5 0.16 0.2 0.26 0.51 0.59 0.66 0.14 0.19 0.24 0.5 0.57 0.63

Conducción 6 7 0.32 0.38 0.75 0.82 0.3 0.36 0.71 0.78

8 0.44 0.88 0.4 0.83

9 0.5 0.91 0.46 0.85

Tipo de Diodo:  Zener Bloqueo Tensión de entrada: Ue V -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 Corriente de entrada: Ie A -0.02 -0.05 -0.08 -0.1 -0.12 -0.14 -0.18 -0.2 -0.22 Tensión del diodo: Ud V -0.67 -1.2 -1.85 -2.46 -3.04 -3.64 -4.29 -4.84 -5.5 Corriente del diodo: Id A -0 -0 -0 -0 -0 -0 -0 -0 -0 Tensión de salida: Us V -0.63 -1.23 -1.88 -2.5 -3.07 -3.69 -4.34 -4.9 -5.57 Tipo de Diodo:  Germanio Tensión de entrada: Ue V 1 Corriente de entrada: Ie A 0.04 Tensión del diodo: Ud V 0.53 Corriente del diodo: Id A 0.02 Tensión de salida: Us V 0.53

2 0.08 0.90 0.03 0.91

Tipo de Diodo:  Germanio Tensión de entrada: Ue V -1 -2 Corriente de entrada: Ie A -0.02 -0.05 Tensión del diodo: Ud V -0.67 -1.21 Corriente del diodo: Id A -0 -0 Tensión de salida: Us V -0.68 -1.23

3 0.10 1.19 0.07 1.17

-3 -0.08 -1.87 -0 -1.89

4 0.16 1.24 0.12 1.25

5 0.22 1.25 0.18 1.23

Conducción 6 7 8 0.28 0.34 0.40 1.17 1.42 1.47 0.24 0.29 0.37 1.25 1.39 1.46

9 0.46 1.49 0.40 1.49

Bloqueo -4 -5 -6 -7 -8 -9 -0.10 -0.12 -0.14 -0.16 -0.20 -0.21 -2.47 -3.06 -3.66 -4.26 -5.02 -5.46 -0 -0 -0 -0 -0 -0 -2.50 -3.09 -3.70 -4.32 -5.09 -5.53

PREGUNTAS: A.- Construya en un mismo gráfico la característica de Conducción y Bloqueo tanto  para el diodo de Germanio como para el de Zener. Recuerde que los datos de bloqueo son negativos. Desarrolle los análisis físicos apropiados.

DI ODO ZENER

Cuando usamos un diodo zener en un circuito se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones (a partir de las hojas de características suministradas por el fabricante): 1. Para un correcto funcionamiento, por el zener debe circular una corriente inversa mayor o igual a I z min. 2. La corriente máxima en sentido inverso ha de ser siempre menor que I z max. 3. La potencia nominal P z  que puede disipar el zener ha de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar en el circuito. Análisis: El diodo zener está polarizado en forma inversa, de modo que la corriente tiene un valor casi nulo mientras que el voltaje se incrementa rápidamente. Si un diodo zener está funcionando en la zona zener, un aumento en la corriente  producirá un ligero aumento en la tensión.

DI ODO DE GERMANI O

Esta clase de rectificadores consta de un trocito o cristal de germanio y una punta de contacto de hilo de tungsteno, encerrados ambos en una cápsula hermética o botella de vidrio. En la figura puede apreciarse la curva característica del funcionamiento de estos diodos; cuando la tensión inversa excede de un cierto valor, la resistencia decrece repentinamente. El potencial a que se produce este fenómeno se denomina de inversión. Los diodos de germanio se dividen en dos grupos: Los de tipo de alta tensión inversa, fabricados con germanio de gran pureza. Los de baja resistencia que contienen germanio provisto de impurezas apropiadas. Sus aplicaciones son ilimitadas en radio, televisión, instrumentos de medida, etc. Análisis: En la característica de conducción la tensión del diodo es directamente proporcional a la corriente del diodo, es decir que al aumentar la tensión aumenta la corriente. En la característica de bloqueo la curva tiende al infinito porque el diodo no permite que  pase voltaje en sentido contrario. En polarización inversa se generan pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la tensión inversa es elevada los electrones se aceleran incrementando su energía cinética de forma que al chocar con electrones de valencia  pueden provocar su salto a la banda de conducción. Estos electrones liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión, chocando con más electrones de valencia y liberándolos a su vez.

B.-Realice un gráfico Tensión de salida  –   Tensión de entrada para cada diodo, tanto en el sentido de conducción como en el de bloqueo. Anote las observaciones necesarias. Diodo Zener Conducción

Diodo Zener Bloqueo

Análisis Diodo Zener: Al graficar los datos obtenidos notamos que la curva característica de conducción del diodo de zener, es una recta que no pasa en el origen, su pendiente es una constante  positiva y describe proporcionalidad directa entre la tensión de salida y la de entrada. Por otra parte, la curva de conducción de este diodo, tiene una tendencia semejante a una rama de hipérbola de la forma      , es decir, encontramos que la tensión de salida es directamente proporcional a la tensión de entrada elevada a una constante b.

Diodo de Germanio Conducción

Diodo de Germanio Bloqueo

C.- Grafique Corriente del diodo  –   Corriente de entrada, considerando el sentido de conducción como del bloqueo, para cada diodo. Diodo Zener Conducción

Diodo Zener Bloqueo

Análisis Diodo Zener: Al graficar los datos obtenidos, notamos que la curva de conducción del diodo de zener tiene una tendencia semejante a una rama de hipérbola de la forma      , es decir, encontramos que la corriente del diodo es directamente proporcional a la corriente de entrada elevada a una constante b. Por otra parte, la curva característica de bloqueo de este diodo es una recta paralela al eje Y que no pasa por el origen, su pendiente es cero y describe para cada valor de corriente de entrada una corriente del diodo constante y equivalente a cero.

Diodo de Germanio Conducción

Diodo de Germanio Bloqueo

D. Relacione la curva de conducción y bloqueo con la ecuación:

    (  ) Donde: Id: corriente del diodo Io: corriente de saturación equivalente a la corriente inversa e: carga del electrón Ud: tensión del diodo K: constante de Boltzman T: temperatura absoluta

El diodo responde a la ecuación:

La curva característica será la que se puede ver en la parte superior, donde: VRRM: tensión inversa máxima VD: tensión de codo.

E. Explique como el aumento de temperatura de la unión P-N modificaría gráficos anteriores. El aumento de temperatura rompe algunas uniones entre átomos liberándose un cierto número de electrones. En cambio, a la temperatura ambiente (20-25 grados C.) algunas de las fuertes uniones entre los átomos se rompen debido al calentamiento del semiconductor y como consecuencia de ello algunos de los electrones pasan a ser libres.

F.- Cuales son los parámetros más comunes que identifican a los diodos que usted ha utilizado. Explique en que consiste. Cree que se ha rebasado los límites técnicos? A continuación vamos a ir viendo las características más importantes del diodo, las cuales podemos agrupar de la siguiente forma: 

Características estáticas: Parámetros en bloqueo (polarización inversa). Parámetros en conducción. Modelo estático. Características dinámicas: Tiempo de recuperación inverso (t rr ). Influencia del t rr  en la conmutación. Tiempo de recuperación directo. Potencias: Potencia máxima disipable. Potencia media disipada. Potencia inversa de pico repetitivo. Potencia inversa de pico no repetitivo. Características térmicas. Protección contra sobreintensidades. o o o

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o o o

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o o o o

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G.- Analice la resistencia del diodo en el sentido de conducción y en el de bloqueo. Parámetros en bloqueo Tensión inversa de pico de trabajo (VRWM): es la que puede ser soportada por el dispositivo de forma continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha. Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM): es la que puede ser soportada en picos de 1 ms, repetidos cada 10 ms de forma continuada. Tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM): es aquella que puede ser soportada una sola vez durante 10ms cada 10 minutos o más. Tensión de ruptura (VBR): si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 ms el diodo puede destruirse o degradar las características del mismo. Tensión inversa contínua (VR): es la tensión continua que soporta el diodo en estado de  bloqueo.

Parámetros en conducción Intensidad media nominal (IF(AV)): es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos sinusuidales de 180º que el diodo puede soportar.

Intensidad de pico repetitivo (IFRM): es aquella que puede ser soportada cada 20 ms, con una duración de pico a 1 ms, a una determinada temperatura de la cápsula (normalmente 25º). Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM): es el máximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, con una duración de 10 ms Intensidad directa (IF): es la corriente que circula por el diodo cuando se encuentra en el estado de conducción.

H. En que se diferencian los electrones libres de los de valencia. Como participan ellos en los semiconductores para efecto de conductividad. Los electrones de valencia  son los electrones que se encuentran en los mayores niveles de energía del átomo, siendo éstos los responsables de la interacción entre átomos de distintas especies o entre los átomos de una misma. Estos electrones, conocidos como "de valencia", son los que presentan la facilidad, por así decirlo, de formar enlaces. Estos enlaces pueden darse de diferente manera, ya sea  por intercambio de estos electrones, por compartición de pares entre los átomos en cuestión o por el tipo de interacción que se presenta en el  enlace metálico, que consiste en un "traslape" de bandas. Según sea el número de estos electrones, será el número de enlaces que puede formar cada átomo con otro u otros Sólo los electrones externos de un átomo pueden ser atraídos por otro átomo cercano. Por lo general, los electrones del interior no se afectan mucho y tampoco los electrones en las subcapas d llenas y en las f, porque están en el interior del átomo y no en la superficie.

I.- En los semiconductores se utilizo el término hueco como si fuese una partícula autónoma y se mueven en dirección de la intensidad del campo eléctrico. Realmente existen? Como se explican? Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de  dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos ). Cuando el material dopante es añadido, éste libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor   y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos . El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un átomo tetravalente (típicamente del grupo IVA de la tabla periódica) de los átomos vecinos se le une completando así sus cuatro enlaces. Así los dopantes crean los "huecos". Cada hueco está asociado con un ion cercano cargado negativamente, por lo que el semiconductor se mantiene eléctricamente neutro en general.

J.- La recombinación es un proceso opuesto a la formación de pares, como tal no contribuye a la conductividad, sin embargo es un proceso importante en los semiconductores. Por que?

Tal y como se acaba de explicar, el hueco es un enlace covalente "no satisfecho". Si un electrón atraviesa la zona en la que se encuentra el hueco puede quedar atrapado en él. A este fenómeno se le denomina recombinación, y supone la desaparición de un electrón y de un hueco. Sin embargo, como en el caso anterior, el material mantiene su neutralidad eléctrica.

K.- Como intervienen los niveles de Fermi para explicar la conductividad de los semiconductores? La Energía de Fermi  es la energía del nivel más alto ocupado por un sistema cuántico a temperatura cero (0 K). Se denota por  E  F  y recibe su nombre del físico italo-americano Enrico Fermi. La energía de Fermi es importante a la hora de entender el comportamiento de partículas fermiónicas,  como por ejemplo los electrones.  Los fermiones son partículas de spin semientero que verifican el Principio de exclusión de Pauli que dicta que dos fermiones no pueden ocupar simultáneamente el mismo estado cuántico. De esta manera, cuando un sistema posee varios electrones, estos ocuparán niveles de energía mayores a medida que los niveles inferiores se van llenando. La energía de Fermi es un concepto que tiene muchas aplicaciones en la teoría del orbital, en el comportamiento de los semiconductores y en la física del estado sólido en general. En física del estado sólido la superficie de Fermi es la superficie en el espacio de momentos en la que la energía de excitación total iguala a la energía de Fermi. Esta superficie puede tener una topología no trivial. Brevemente se puede decir que la superficie de Fermi divide los estados electrónicos ocupados de los que permanecen libres.

L.- Usted habrá observado que el diodo Zener, tiene las características particulares que lo diferencian de los diodos comunes. Cuales son? Podrán ser estas propiedades útiles para estabilizar una fuente de tensión. Como? Hemos visto que un diodo semiconductor normal puede estar polarizado tanto en directa como inversamente.  

En directa se comporta como una pequeña resistencia. En inversa se comporta como una gran resistencia.

Veremos ahora un diodo de especiales características que recibe el nombre de diodo Zener El diodo zener trabaja exclusivamente en la zona de característica inversa y, en  particular, en la zona del punto de ruptura de su característica inversa Esta tensión de ruptura depende de las características de construcción del diodo, se fabrican desde 2 a 200 voltios. Polarizado en directa actua como un diodo normal y por tanto no se utiliza en dicho estado

CONCLUSIONES: 

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Un semiconductor es un elemento material cuya conductividad eléctrica puede considerarse situada entre las de un aislante y la de un conductor, considerados en orden creciente Los semiconductores más conocidos son el siliceo (Si) y el germanio (Ge). Debido a que, como veremos más adelante, el comportamiento del siliceo es más estable que el germanio frente a todas las perturbaciones exteriores que  puden variar su respuesta normal, será el primero (Si) el elemento semiconductor más utilizado en la fabricación de los componentes electrónicos de estado solido. Hemos visto que un diodo semiconductor normal puede estar polarizado tanto en directa como inversamente. En directa se comporta como una pequeña resistencia. En inversa se comporta como una gran resistencia.

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La energía de Fermi es importante a la hora de entender el comportamiento de  partículas fermiónicas, como por ejemplo los electrones. El aumento de temperatura rompe algunas uniones entre átomos liberándose un cierto número de electrones. En cambio, a la temperatura ambiente (20-25 grados C.) algunas de las fuertes uniones entre los átomos se rompen debido al calentamiento del semiconductor y como consecuencia de ello algunos de los electrones pasan a ser libres. El hueco es un enlace covalente "no satisfecho". Si un electrón atraviesa la zona en la que se encuentra el hueco puede quedar atrapado en él.

BIBLIOGRAFIA:        

es.wikipedia.org/wiki/Física_de_ semiconductores www.asifunciona.com/...semiconductor/ke_ semiconductor _3.htm es.wikipedia.org/wiki/Electrón_de_valencia FÍSICA CUÁNTICA; Eyvind H. Wiechmann; Tomo 4; Editorial Reverté S.A. http://www.electronicafacil.net/tutoriales/tutorial140.html http://www.cienciasmisticas.com.ar/electronica/semi/diodos/index.php www.monografias.com/.../caracteristicas-diodo/caracteristicas-diodo.shtml Microsoft ENCARTA