Polarización de un diodo

Polarización de un diodo Carrera: Curso: Profesor: Alumnos:

Ing. en Energía Electrónica general Ing. Huacccha Salazar Ever Andamato Pacheco Jorge. Retamozo Molina Vilma. Sosa Diaz Yhonatan.

Marco teórico Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. Este término generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor

Diodo semiconductor Un diodo semiconductor moderno está hecho de cristal semiconductor como el silicio con impurezas en él para crear una región que contiene portadores de carga negativos (electrones), llamado semiconductor de tipo n, y una región en el otro lado que contiene portadores de carga positiva (huecos), llamado semiconductor tipo p. Las terminales del diodo se unen a cada región. El límite dentro del cristal de estas dos regiones, llamado una unión PN, es donde la importancia del diodo toma su lugar. El cristal conduce una corriente de electrones del lado n (llamado cátodo), pero no en la dirección opuesta; es decir, cuando una corriente convencional fluye del ánodo al cátodo (opuesto al flujo de los electrones). Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p (Je). Al establecerse una corriente de difusión, estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe el nombre de región de agotamiento. A medida que progresa el proceso de difusión, la región de agotamiento 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 (VD) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V para los cristales de germanio.

La anchura de la región de agotamiento 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. 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.

Polarización directa de un diodo 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, se debe 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.

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 de un diodo 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 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 μA) 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 fuga 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 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 de corriente.  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 (Is ). 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 3·105 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.

Experiencia en el laboratorio Objetivos:  Analizar el funcionamiento de un diodo.

Materiales Utilizados.  Una fuente de alimentación regulada  Un diodo 1N4007  Un diodo LED Verde y Un diodo LED Rojo

Trabajo previo  Investigar todos los datos que sean necesarios para llevar a cabo la práctica, tales como límites de voltaje y corriente del mismo de todos los componentes, configuración de conexiones, etc.  Realizar los cálculos teóricos necesarios para determinar los voltajes y corriente en el circuito a realizar.  Tomar nota de los Instrumentos utilizados.  Verificar con el multimetro el buen estado del diodo 1N4007 y los diodos LED. Valores de las Resistencias.

Procedimiento. 1.-Montaren el Proto Board el siguiente circuito. D1=1N4007

Paso 1    

Colocar la resistencia de 100 Ω Ajustar la fuente de alimentación V a 12 voltios tensión continua Tomar la medición de voltaje y la corriente en el diodo y llenar en la tabla 1. Repetir con los diversos valores de la fuente hasta completar los valores de la tabla 1.

DATOS SIMULADOS DIODO 1N4007 R= 100 Ω FUENTE V

VOLTAJE DEL DIODO

12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 -0.5 -1 -2

784.358 mV 779.127 mV 773.407 mV 767.087 mV 760.013 mV 751.966 mV 742.611 mV 731.41 mV 717.401 mV 698.611 mV 669.836 mV 606.439 mV 499.611 mV 576.985 mV 554.766 mV 522.350 mV 471.138 mV (-) 499.997 mV (-) 999.997 mV (-) 2 V

DATOS MEDIDOS DIODO 1N4007 R= 99 Ω VOLTAJE CORRIENTE CORRIENTE FUENTE DEL DIODO DEL DIODO DEL DIODO V (V) (A) 112.156 mA 12.09 0.807 0.12897 102.208 mA 11 0.793 0.11793 92.226 mA 10 0.78 0.1078 82.329 mA 9 0.776 0.09776 72.4 mA 8 0.774 0.08774 62.481 mA 7 0.767 0.07767 52.574 mA 6 0.763 0.06763 42.686 mA 5 0.754 0.05754 32.826 mA 4 0.744 0.04744 23.014 mA 3 0.73 0.0373 13.302 mA 2 0.706 0.02706 3.936 mA 1 0.991 0.01991 3.065 mA 0.9 0.804 0.01704 2.23 mA 0.8 0.794 0.01594 1.452 mA 0.7 0.669 0.01369 776.504 uA 0.6 0.497 0.01097 288.623 uA 0.5 0.497 0.00997 (-) 32.485 nA -0.5 -0.498 -0.00998 (-) 32.987 nA -1 -1.02 -0.0202 (-) 33.988 nA -2 -2.03 -0.0403

TABLA NUMERO 1 (valores simulados y medidos)

Paso 2.  En el mismo circuito reemplazar la resistencia de 100 Ω por una resistencia de 1K Ω  Ajustar la fuente de alimentación V a 12 voltios tensión continua.  Tomar la medición de voltaje y la corriente en el diodo y llenar la tabla 2.  Repetir con los diversos valores de fuente de alimentación hasta completar los valores de la tabla 2 DATOS SIMULADOS DIODO 1N4007 R= 1 KΩ FUENTE V 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 -0.5 -1 -2

VOLTAJE DEL DIODO

CORRIENTE DEL DIODO

661.495 mV 11.340 mA 656.700 mV 10. 344 mA 651.427 mV 9.349 mA 645.568 mV 8.356 mA 638.977 mV 7.362 mA 631.443 mV 6.639 mA 622.650 mV 5.378 mA 612.089 mV 4.388 mA 598.869 mV 3.401 mA 581.190 mV 2.419 mA 554.523 mV 1.446 mA 499.611 mV 500.45 uA 489.381 mV 410.671 uA 476.968 mV 323.075 uA 461.313 mV 238.698 mA 440.472 mV 159.539 uA 410.550 mV 89.456 uA (-) 499.968 mV (-) 32.485 nA (-) 999.967 mV (-) 32.987 nA (-) 2 V (-) 33.99 nA

DATOS MEDIDOS DIODO 1N4007 R= 966Ω VOLTAJE CORRIENTE FUENTE DEL DEL DIODO V DIODO (mA) 12.1 11.01 10.02 9.05 8.01 7 6.03 5.1 4.07 3.02 2.01 1.01 0.89 0.81 0.69 0.61 0.5 -0.51 -1 -2

0.7 V 0.695 V 0.689 V 0.685 V 0.677 V 0.671 0.663 0.653 0.641 0.623 0.595 0.536 0.521 0.511 0.487 0.467 0.46 -0.4659 -1.02 -2.02

TABLA NUMERO 2 (valores simulados y medidos)

12.8 11.705 10.709 9.735 8.687 7.671 6.693 5.753 4.711 3.643 2.605 1.546 1.411 1.321 1.177 1.077 0.96 -0.9759 -2.02 -4.02

2.- Montar en el Proto Board el siguiente circuito. LED1 = LED Verde.  Ajustar la fuente de alimentación Va 12 voltios tensión continua  Tomar la medición de voltaje y la corriente en el diodo y llenar en la tabla 3.  Repetir con los diversos valores de fuente de alimentación hasta completar los valores de la tabla 3

DATOS SIMULADOS DIODO LED VERDE R= 470 Ω FUENTE V

VOLTAJE DEL DIODO

12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 -0.5 -1 -2

2.134 V 2.125 V 2.116 V 2.106 V 2.094 V 2.080 V 2.062 V 2.040 V 2.009 V 1.959 V 1.821 V 999.995 mV 899.998 mV 799.999 mV 700 mV 600 mV 500 mV (-) 500 mV (-) 1000 mV (-) 2 V

DATOS MEDIDOS DIODO LED VERDE R= 467Ω VOLTAJE CORRIENTE FUENTE CORRIENTE DEL DIODO DEL DIODO V DEL DIODO (A) (V) 20.991 m A 12.04 2.243 0.030584582 18.881 mA 11.03 2.07 0.028344754 16.773 mA 10.02 2.178 0.026226981 14.667 mA 9.07 2.147 0.024019272 12.556 mA 0.02 2.108 0.021687366 10.468 mA 7.05 2.074 0.019537473 8.378 mA 6.02 2.44 0.017267666 6.298 mA 5.02 2.07 0.015047109 4.236 mA 40.7 1.961 0.012914347 2.216 mA 3.09 1.917 0.010721627 379.799 uA 2.03 1.821 0.008246253 10.825 nA 1 1.009 0.004301927 3.617 nA 0.91 897 0.003869379 1.552 nA 0.813 814 0.003477516 908.178 pA 0.741 696 0.002970021 657.993 pA 0.6 599 0.002567452 516.32 pA 0.506 505 0.002164882 (-) 500517 pA 0.507 (-) 506 -0.002169165 (-) 1.001 nA -1 (-) 1.008 -0.004299786 (-) 2.002 nA -2.04 (-) 2.03 -0.008715203

TABLA NUMERO 3 (valores simulados y medidos)

3.- Montar en el Froto Board el siguiente circuito. LED1 = LED Rojo.  Ajustar la fuente de alimentación V a 12 voltios tensión continua.  Tomar la medición de voltaje y la corriente en el diodo y llenar en la tabla 4.  Repetir con los diversos valores de fuente de alimentación hasta completar los valores de la tabla 4

DATOS SIMULADOS DIODO LED ROJO R= 470 Ω FUENTE V

VOLTAJE DEL DIODO

CORRIENTE DEL DIODO

12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 -0.5 -1 -2

1.830 V 1.825 V 1.819 V 1.812 V 1.804 V 1.795 V 1.784 V 1.770 V 1.752 V 1.722 V 1.655 V 999.998 V 899.999 V 800 mV 700 mV 600 mV 500 mV (-) 500 mV (-) 1000 mV (-) 2 V

21.638 mA 19.520 mA 17.407 mA 15.293 mA 13.181 mA 11.073 mA 8.969 mA 6.871 mA 4.783 mA 2.718 mA 735.044 uA 3.428 nA 1.254 nA 852.155 uA 708.12 pA 601.711 pA 500.649 pA (-) 500.491 pA (-) 1.001 nA (-) 2.002 nA

DATOS MEDIDOS DIODO LED ROJO R= 467 Ω VOLTAJE CORRIENTE FUENTE DEL DEL DIODO V DIODO (A) 12.08 11.06 10.01 9.02 8.06 7 6.01 5.09 4.03 3 2.02 1.05 0.919 0.805 0.706 0.601 0.505 -0.504 -1.02 -2

2.335 V 0.030867238 2.29 V 0.028543897 2.246 V 0.026244111 2.203 V 0.02403212 2.157 V 0.021877944 2.11 V 0.019507495 2.064 V 0.017289079 2.021 V 0.015226981 1.966 V 0.012835118 1.907 V 0.010507495 1.817 V 0.008216274 1.05 V 0.004496788 917 mV 0.003931478 804 mV 0.003445396 707 mV 0.003025696 601 mV 0.002573876 505 mV 0.002162741 (-) 500 V -0.002156317 (-) 1.022 V -0.004372591 (-) 2.02 V -0.008650964

TABLA NUMERO 4 (valores simulados y medidos)

Conclusiones  El error de los valores obtenidos mediante la simulación y medición es pequeños, y esto puede ser debido a error de contacto entre los componentes de circuito o por la procedencia de los materiales.  En la experiencia numero 1 se noto que el valor de la resistencia era muy bajo esto ocasiono que esta se caliente (efecto joule) por lo tanto se calentara el circuito, es posible que la variación entre los valores medidos y simulados se deba a este efecto.  En la polarización directa se obtuvo graficas crecientes que obedecen la forma de una Parábola con pendiente positiva y esta se contrasta con la grafica teórica.  En la polarización indirecta se obtuvo graficas decreciente con penitente negativa y se contrasta con la teórica.