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UNMSM
FACULTAD DE ING. ELECTRONICA, ELECTRICA Y DE TELECOMUNICACIONES
APELLIDOS Y NOMBRES
MATRICULA
Gustavo noriega Javier Chávez López Richard Alfredo Muñoz Pescorán Carla Zurita Curahua Anthony
13190155 13190081 13190016 13190066
CURSO
TEMA
Dispositivos electrónicos laboratorio
Diodo semiconductor (Si y Ge)
INFORMES
FECHAS
Final
NOTA
REALIZA
ENTREGA
08/05/14
22/05/14
NUMERO 3 GRUPO
PROFESOR
Ing. Luis Paretto Q. “09”
UNMSM_FIEE. –LABORATORIOS DE ING. ELECTRÓNICA EXPERIMENTO Nº 3 DE DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS
I. Tema: Características básicas del diodo semiconductor (Silicio y Germanio). II. Objetivos: utilizar las características de operación de los diodos semiconductores. III. Introducción teórica. DIODO Un diodo es un dispositivo que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección. De forma simplificada, la curva característica 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 pequeña resistencia eléctrica. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de convertir una corriente alterna en corriente continua. DIODO PN Ó UNIÓN PN: Los diodos pn son uniones de dos materiales semiconductores extrínsecos tipos p y n, por lo que también reciben la denominación de unión pn. Hay que destacar que ninguno de los dos cristales por separado tiene carga eléctrica, ya que en cada cristal, el número 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 difusión de electrones del cristal n al p (J e).
Formación de la zona de carga espacial
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Al establecerse estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe diferentes denominaciones como zona de carga espacial, de agotamiento, de vaciado, etc. A medida que progresa el proceso de difusión, la zona de carga espacial va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos. Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión 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 está mucho más dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor. Al dispositivo así 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 está polarizado. Al extremo p, se le denomina ánodo, representándose por la letra A, mientras que la zona n, el cátodo, se representa por la letra C.
A (p)
C (n)
Representación simbólica del diodo pn
Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa.
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POLARIZACIÓN DIRECTA:
En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad. Para que un diodo esté polarizado directamente, tenemos que conectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos observar que:
El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n. El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n. Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n. Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería.
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De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final. POLARIZACIÓN INVERSA:
En este caso, el polo negativo de la batería 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 tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación:
El polo positivo de la batería 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 batería. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de valencia, ver semiconductor y átomo) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos. El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces
covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los
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electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos.
Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería.
En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco (ver semiconductor) a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μ A) denominada corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos 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 través de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fugas es despreciable.
CURVA CARACTERÍSTICA DEL DIODO:
Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ). La tensión umbral (también llamada barrera de potencial) de polarización directa coincide en valor con la tensión 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
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del 1% de la nominal. Sin embargo, cuando la tensión externa supera la tensión umbral, la barrera de potencial desaparece, de forma que para pequeños incrementos de tensión se producen grandes variaciones de la intensidad. Corriente máxima (Imax). Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto Joule. Dado que es función de la cantidad de calor que puede disipar el diodo, depende sobre todo del diseño del mismo. Corriente inversa de saturación (I s). Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica por cada incremento de 10º en la temperatura. Corriente superficial de fugas. Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo (ver polarización inversa), esta corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial de fugas. Tensión de ruptura (Vr). Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha.
Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente inversa de saturación; en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, en el diodo normal o de unión 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 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. El resultado es una avalancha de electrones que provoca una corriente grande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a 6 V. Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material, menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E puede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d; cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el campo eléctrico será grande, del orden de 3·10 5 V/cm. En estas condiciones, el propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia incrementándose 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.
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IV. Materiales y equipos a utilizar: 1. Una fuente de corriente continúa variable.
2. Un multímetro (fluke 87).
3. Un
miliamperímetro
y
un
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micro
amperímetro
(yokogawa).
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4. Un
diodo
semiconductor
de
5. Un voltímetro de c.c... (yokogawa).
6. Resistencia de 100 .
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Si
y
uno
de
Ge.
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7. Cables y conectores (cocodrilo- banano “10”).
8. Un cordón de alterna para la fuente.
V.
Procedimiento:
1. Usando el ohmímetro. 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 potenciómetro, observar y medir la corriente y el voltaje directo del diodo, registrar sus datos en la tabla 2.(usar miliamperímetro). b. Invertir el diodo verificando al mismo tiempo la polaridad de los instrumentos, proceder como en a), registrando los datos en la tabla 3. (uso del micro amperímetro). Tabla 1. (Si). Rdirecta( ) Rinversa( ) 861
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40M
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Vcc(v.)
0.51
Id(mA.) 0.1 Vd(v.)
0.54 0.59
0.67
0.79 0.92
1.22
1.56
1.76 1.98 2.3
0.2
0.8
1.3
5.0
8.0
10.0 12.0 15.0 20.0
0.4
2.5
2.82
0.488 0.51 0.543 0.576 0.61 0.634 0.667 0.389 0.70 0.70 0.71 0.73
Tabla 2. Vcc(v.) 0.0 Vd(v.) 0 Id( A.) 0 Tabla 3.
2.0 1.979 0
4.0 3.937 0
6.0 5.93 0
8.0 7.92 0
10.0 9.87 0
12.0 11.87 0
15.0 14.84 0
20.0 19.82 0
3. Usando el ohmímetro, medir las resistencias directa e inversa del diodo de Germanio. Registrar los datos en la tabla 4. Tabla 4.(Ge.) Rdirecta( ) Rinversa(M ) 317.9
0.08114
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 y6. Vcc(v.) 0.18 Id(mA.) 0.1 Vd(v.) 0.160 Tabla 5. Vcc(v.) 0.0 Vd(v.) 0.014 Id( A.) 0
0.22 0.26 0.32 0.46 0.58 0.9 1.26 1.49 1.6 2.04 2.6 0.2 0.4 0.8 1.6 2.5 5.0 8.0 10.0 12.0 15.0 20.0 0.188 0.21 0.238 0.276 0.303 0.35 0.39 0.417 0.43 0.45 0.48 1.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 15.0 18.0 20.0 0.98 1.97 3.957 5.93 7.93 9.86 11.87 14.82 17.82 19.81 0.6 0.6 0.6 1 1 1.1 1.3 1.6 2 2.2
Tabla 6. VI.
Cuestionario final: 1. Construir el grafico id=F(vd)con los datos de la tabla 2 y 3.(Si). Calcular la resistencia dinámica del diodo.
r dn
V dn
V d n 1
I dn
I d n 1
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Calculando las resistencias dinámicas de la tabla 2. rdn (m ).
Para a.
Para b.
Para c.
Para d.
Para e.
Para f.
Para g.
Para h.
Para i.
Para j.
Para k.
Calculando las resistencias dinámicas de la tabla 3.
Para a.
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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 dinámica del diodo.
r dn
V dn
V d n 1
I dn
I d n 1
Calculando las resistencias dinámicas de la tabla 5. Rdn (
m
)
Para a.
Para b.
Para c.
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Para d.
Para e.
Para f.
Para g.
Para h.
Para i.
Para j.
Para k.
Calculando las resistencias dinámicas de la tabla 6. Rdn ( )
Para a.
Para b.
Para c.
Para d.
Para e.
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Para f.
Para g.
Para h.
Para i.
Para j.
3. Interpretar los datos obtenido 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 dinámica es pequeña por lo que se comportara como cerrado dejando que fluya la corriente. Cuando se encuentran polarizados inversamente la dinámica es grande por lo que se comportara como abierto impidiendo el paso de la corriente.
resistencia un circuito resistencia un circuito
4. Exponer sus conclusiones del experimento.
Un diodo permitirá la conducción de corriente cuando se encuentra polarizado directamente. Se comportara como un circuito cerrado. Un diodo impedirá la conducción de corriente cuando se encuentre polarizado inversamente. Se comportara como un circuito abierto.
5. Explicar los controles de operación de la fuente Dc utilizada.
Una fuente de tensión regulada utiliza normalmente un circuito automático de control que detecta, prácticamente de un modo instantáneo, las variaciones de la tensión de salida y las corrige automáticamente. En general, todo sistema de control requiere los siguientes elementos básicos:
Elemento de referencia: Para saber si una magnitud ha variado se precisa una referencia, que deberá ser lo más estable posible.
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Elemento de muestra: Su misión es detectar las variaciones de la magnitud en cuestión (tensiones, temperaturas, presiones, etc.). Elemento comparador: Su finalidad es comparar, en todo momento, la referencia con la muestra de la magnitud que pretendemos controlar. Amplificador de señal de error: La señal de error, que no es más que la diferencia entre la referencia y la muestra, puede ser de un nivel tan bajo que no puedan accionar el elemento. En este caso, debe amplificarse. Elemento de control: Que interpretada la señal de error, amplificada o no, de modo que contrarreste las variaciones producidas en las magnitudes de salida. Regulador De Voltaje. En muchas ocasiones necesitamos una fuente de alimentación que nos proporcione más de 1A y esto puede convertirse en un problema que aumenta, si además queremos, por seguridad, que se pueda cortocircuitar. La solución es dopar (añadir) un transistor de potencia o los que sean necesarios para que nos proporcione la corriente deseada.
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