Diodos semiconductores

Informe Laboratorio Electrónica I.
Experiencia Nº 1: DIODO SEMICONDUCTOR
1.- Objetivos:
• Determinar las caracterÃ−sticas estáticas, dinámicas y otros parámetros importantes en los
diodos semiconductores de mayor aplicación.
• Aplicar el estudio general realizado sobre circuitos rectificadores a su diseño e implementación,
como también aplicar consideraciones teóricas y prácticas que permita ajustar y mejorar el
circuito rectificador.
2.- Informe previo:
• CaracterÃ−sticas V/I de los diodos semiconductores.
• Resistencia directa e inversa de los diodos semiconductores.
• Resistencia dinámica.
• Rectificadores de media onda y onda completa.
• Circuitos recortadores serie paralelo.
• Diseño final normalizado de cada uno de los circuitos a utilizar en el laboratorio.
MARCO TEÃ RICO:
Un Semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo del campo
eléctrico en el que se encuentre. El elemento semiconductor más usado es el silicio
Semiconductor tipo N
Un Semiconductor tipo N 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 cargas libres (en este caso,
negativas). Cuando el material dopante es añadido, éste aporta sus electrones más débilmente
vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como
material donante ya que da algunos de sus electrones. El propósito del dopaje tipo N es el de producir
abundancia de electrones portadores en el material.
Semiconductor tipo P
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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
positivo). 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.
Las propiedades de los materiales semiconductores se conocÃ−an en 1874, cuando se observó la
conducción en un sentido en cristales de sulfuro, durante la Segunda Guerra Mundial se desarrolló el
primer dispositivo con las propiedades que hoy conocemos, el diodo de germanio.
El Diodo
Un DIODO es un dispositivo que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección Los
Diodos son elementos no lineales porque no cumplen con la ley de Ohm. Cuando se explica el funcionamiento
de el diodo se hace una analogÃ−a con una válvula on / off, porque en realidad el diodo al igual que esta
válvula solo tienen dos estados, conduce o no conduce, y no es porque presente fallas, sino que sus
caracterÃ−sticas de funcionamiento son asÃ−. Es un elemento que tiene polaridad, o sea un lado negativo
conocido como cátodo y un lado positivo conocido como ánodo. Para que un diodo conduzca se debe
polarizar correctamente, esto es colocar la parte positiva con el positivo de la alimentación y la negativa con
el negativo de la fuente. Esta caracterÃ−stica de conducción es debido a que los diodos son componentes
dopados, sus materiales de construcción se conocen como materiales P y materiales N. Esto es porque tienen
impurezas que provocan que estén cargados negativa o positivamente. Cuando el diodo se polariza
correctamente ocurre la siguiente secuencia:
P N Secuencia de conducción del diodo.
Cuando se polariza correctamente el diodo, las cargas positivas comienzan a entrar y a hacer presión sobre el
polo positivo o capa P. En el centro del diodo se combinan los protones y los electrones, de esta manera se
convierte en una región neutra, pero al existir una sobredosis de cargas positivas, entonces las negativas se
ven en la obligación de pasar esta zona neutra y asÃ− comenzar a combinarse, con lo cual se establece una
corriente y de esta manera un equilibrio, donde el diodo esta conduciendo. En el caso contrario, al entrar las
cargas positivas en el polo negativo o capa N, los electrones no se ven obligados a pasar sobre la región
neutra para combinarse, sino que se combinan de su lado, aumentando dicha zona neutra, y por lo tanto
haciendo más grande la barrera a vencer, de esta forma es que el diodo no conduce.
En el siguiente recuadro se puede apreciar la polarización directa e inversa de un diodo.
POLARIZACIÃ N
DIRECTA
El ánodo se conecta al positivo de
la baterÃ−a y el cátodo al
negativo.
Â
INVERSA
El ánodo se conecta al negativo y
el cátodo al positivo de la
baterÃ−a
CIRCUITO
CARACTERÃ STICAS
El diodo conduce con una caÃ−da
de tensión
de 0,6 a 0,7V.
El valor de la resistencia interna
seria muy bajo.
Se comporta como un interruptor
cerrado
El diodo no conduce y toda la
tensión de la pila cae sobre el.
Puede existir una corriente de fuga
del orden de µA.
El valor de la resistencia interna
serÃ−a muy alto
2
Â
Se comporta como un interruptor
abierto.
Modelos matemáticos
El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor a William Bradford Shockley) que
permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayorÃ−a de las aplicaciones. La ecuación que liga la
intensidad de corriente y la diferencia de potencial es:
Donde:
• I =corriente que atraviesa el diodo.
• VD =Diferencia de tensión entre sus extremos.
• IS =Corriente de saturación (aproximadamente 10 â 12A)
• q =Carga del electrón cuyo valor es 1.6 * 10 â 19
• T =Temperatura absoluta de la unión
• k =Constante de Boltzmann (1,38x10 â 23J/Kº)
• n =Coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo y que suele adoptar
valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio).
• VT = kT/q = T/11600 es la tensión debida a la temperatura, del orden de 26 mV a temperatura
ambiente (300 K ó 27 ºC).
Rectificador
En electrónica, un rectificador es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente
continua. Esto se realiza utilizando diodos rectificadores, ya sean semiconductores de estado sólido,
válvulas al vacÃ−o o válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio. Dependiendo de las
caracterÃ−sticas de la alimentación en corriente alterna que emplean, se les clasifica en monofásicos,
cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por tres fases.
Atendiendo al tipo de rectificación, pueden ser de media onda, cuando solo se utiliza uno de los semiciclos
de la corriente, o de onda completa, donde ambos semiciclos son aprovechados.
El tipo más básico de rectificador es el rectificador monofásico de media onda, constituido por un único
diodo entre la fuente de alimentación alterna y la carga.
Curva caracterÃ−stica del diodo
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• 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.
• 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 energÃ−a 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
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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.
Resistencia Estática del Diodo.
La resistencia estática R de un diodo se define como la relación entre la tensión y la
corriente V/I. En un punto cualquiera de la caracterÃ−stica tensión-corriente del diodo, la
resistencia R es igual a la inversa de la pendiente de la lÃ−nea que une el punto de
funcionamiento con el origen. La resistencia estática varÃ−a extraordinariamente con V e I y
no es útil su empleo como parámetro.
Resistencia Dinámica del Diodo
La resistencia dinámica, o incremental r, la cual, es importante en el funcionamiento del
diodo para pequeña señal se define como el inverso de la pendiente de la curva
caracterÃ−stica del diodo en un punto dado, cuando el diodo esta polarizado en directo.
La resistencia dinámica no es una constante. Se obtiene diferenciando la ecuación del
diodo, invirtiendo el resultado, y calculando rd en el punto de trabajo tal como sigue:
Es importante recordar que para los siguientes experimentos se trabajara con el DIODO “1N4007” y es de
suma importancia saber las caracterÃ−sticas técnicas de dicho material.
5
En el cuadro superior se describen las caracterÃ−sticas eléctricas del diodo, y en el cuadro inferior se
detalla las dimensiones del diodo según fabricante.3.- Trabajo de laboratorio:
• Examine el diodo 1N4007. Identifique sus terminales y dibuje.
3.2 Conecte el circuito de la figura 1.1 y determine las caracterÃ−sticas directas del diodo semiconductor
(complete la tabla 1.1).
Vcc (V)
5
7.16
9.1
12
15
20
25
Vr (v)
4.3
6.48
8.34
11.3
14.2
19.2
24.1
I (mA)
4.28
6.39
8.3
11.3
14.3
19.5
24.6
Vd (v)
0.65
0.67
0.68
0.69
0.7
0.7
0.7
V instrumento
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
6
30
29.1
Tabla 1.1
29.9
0.7
0.1
Figura 1.1
Para realizar el circuito y completar la tabla 1.1 se utilizaron los siguientes elementos:
- Una resistencia de 10KΩ
- Una fuente de poder regulable Vcc.
- Un diodo 1N4007
Y los siguientes instrumentos:
- Dos voltÃ−metros y un amperÃ−metro.
La caracterÃ−stica que pudimos notar al hacer la conexión directa del diodo es que comienza a conducir con
aproximadamente 0,65 (V), luego, al ir aumentando el voltaje, el diodo llega a tener una caÃ−da de tensión
de 0,7 (V) la que se mantiene al seguir aumentando el voltaje.
3.3 Conecte el circuito de la figura 1.2 y determine las caracterÃ−sticas inversas del diodo semiconductor
(complete la tabla 1.2).
Vcc (V)
5
7
9
12
15
20
25
30
Vr (v)
0
0
0
0
0
0
0
0
Vd (v)
5
7
9
12
15
20
25
30
I (mA)
0
0
0
0
0
0
0
0
Figura 1.2
Para realizar el circuito y completar la tabla 1.1 se utilizaron los siguientes elementos:
- Una resistencia de 10KΩ
- Una fuente de poder regulable Vcc.
- Un diodo 1N4007
Y los siguientes instrumentos:
- un voltÃ−metro y un amperÃ−metro.
Al realizar este circuito comprobamos que el diodo al ser conectado de manera inversa se comporta como un
interruptor abierto, por lo que no circula una corriente.3.4 Con los valores obtenidos en los puntos 3.2 y 3.3
7
grafique I = f (VD) y determine:
• Resistencia directa del diodo semiconductor
b) Resistencia inversa del diodo semiconductor
3.5 Conecte el circuito de la figura 1.3 y determine las caracterÃ−sticas dinámicas del diodo semiconductor.
(Complete la tabla 1.3).
8
Figura 1.3
En la figura 1.3 se puede ver el diodo en funcionamiento con una fuente alterna la cual nos permite apreciar
que al de igual forma que en una fuente continua comienza a conducir entre los 0.6 y 0.7 volt, cuando el diodo
se conecta de forma directa de ánodo a cátodo este suprimirá la señal negativa de la fuente alterna. La
señal suprimida se vera en 0 volt.
De forma análoga cuando el diodo se conecta de forma indirecta de cátodo a ánodo este suprimirá la
señal positiva de la fuente alterna. la señal suprimida se vera en 0 volt .
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Para comenzar a calcular las corrientes del circuito se tiene como dato el voltaje máximo de la entrada el
cual es: V max = 16.16 [V] , otro dato importante es la resistencia total del circuito (la resistencia directa del
diodo se despreciara ya que no es mayor a un Ohm por lo tanto no incluirá en nuestros cálculos) la
resistencia total del circuito es de R=1010 [Ω]
3.6 Conecte el circuito de la figura 1.4 y determine:
• Curva de regulación
• Resistencia efectiva del circuito.
• Resistencia efectiva del diodo.
Figura 1.4
R
Vo,m (V) Vo,dc (v)
50Ω
200Ω
500Ω
1KΩ
3KΩ
10KΩ
16.9
16.9
16.9
16.9
16.9
16.9
5.4
5.4
5.4
5.4
5.4
5.4
Io,dc
(mA)
101.22
26.10
10.50
5.28
1.78
0.52
En el circuito anterior se probaron distintas resistencias para un mismo voltaje de entrada.
de esta forma se obtuvo la curva de regulación del diodo.
Conclusión.
Del siguiente informe se puede concluir lo siguiente:
1-En esta experiencia se ha corroborado de manera práctica las aplicaciones teóricas que se explicaron del
diodo. Como por ejemplo la polarización directa e inversa:
10
a)-Polarización directa con fuente CC este se comporta como un hilo conductor con una resistencia
despreciable.
b) - Polarización indirecta con fuente CC este se comporta como “Switch Abierto” el que tiene una alta
resistencia, por lo tanto no circula corriente.
c) - Polarización directa con fuente CA este se comporta como un hilo conductor en la parte positiva de la
señal alterna y como un circuito abierto en la señal negativa.
d) - Polarización indirecta con fuente CA este se comporta como un circuito abierto en la parte positiva de la
señal alterna y como un hilo conductor en la señal negativa.
De esta manera se puede discriminar las señales de corriente alterna eligiendo trabajar con la parte negativa
o positiva de la señal.
-Otra caracterÃ−stica es que comienza a conducir voltaje a los 0.6 volt de acuerdo con la mayorÃ−a de los
fabricantes el diodo deberÃ−a comenzara conducir a los 0.65 a 0.7 volt pero como no todo es perfectos estos
tienen un rango de un 20% ya que van perdiendo sus propiedades con el tiempo.
-El diodo proporciona una gran herramienta para transformar CA en CC y es su principal función, aunque
para usos industriales el diodo ya no se utilizada en los circuitos de rectificación.
BibliografÃ−a.
• -Apuntes de Cátedra de Electrónica.
• -HTTP://electronred.iespana.es/diodo.htm “tipos de diodos” y “rectificadores”
• -HTTP://www.ate.uniones.es “Electrónica y automatismo Universidad de Oviedo”
• -HTTP://www.wikipedia.org/diodo “el diodo”
• -Conocimientos pertinentes.
Universidad Tecnológica Metropolitana
Laboratorio Electrónica
1
Electrónica Vespertina 2008.
Tabla 1.2
Tabla 1.4
UNIVERSIDAD TECNOLÃ GICA METROPOLITANA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE ELECTRONICA
INGENIERIA ELECTRONICA
2000
11
UTEM
12