Diodo - Departamento de Física

Universidad de Chile
Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas
Departamento de Física
Laboratorio de Física II FI-35 A
Guía 07
El Diodo.
Objetivos
- Introducción al estudio del diodo.
Introducción
El diodo
Ésta es la primera actividad en que trabajaremos con semiconductores, considerando como primer
ejemplo el diodo.
Los dispositivos semiconductores se hacen de silicio (principalmente, también pueden ser de germanio o
selenio), al cual se le agregan cantidades pequeñas de impurezas apropiadas que alteran las propiedades
originales del material. Un átomo de impureza, que reemplaza un átomo en un cristal de silicio, puede producir
localmente un exceso o un déficit de electrones, dependiendo del número de electrones de valencia que tenga la
impureza. Los electrones en exceso pueden migrar, produciendo una corriente de portadores negativos, como en
la conducción eléctrica de los metales. Los electrones en déficit, llamados huecos, también pueden migrar,
produciendo una corriente de portadores positivos. Los materiales semiconductores con impurezas que producen
electrones libres, se llaman semiconductores tipo N. Por otra parte, los semiconductores que tienen impurezas
que producen huecos, se llaman semiconductores tipo P.
Un diodo semiconductor consiste en un trozo de material tipo
N en contacto con un trozo de material tipo P (Fig. 1). En una zona
juntura
cerca del área de contacto (conocida como la juntura) los electrones liI
bres y los huecos se neutralizan. Si se aplica un campo eléctrico que
produzca la migración de otros electrones y huecos hacia la juntura,
N
P
también se recombinan y así fluye la corriente. Por otra parte, si el
campo eléctrico tiene dirección contraria, de manera que los electrones
y los huecos se mueven alejándose de la juntura, la corriente se anula.
Fig. 1: Diodo semiconductor
De esta manera, la juntura N-P actúa como una válvula que permite el
de juntura.
paso de la corriente en una dirección solamente.
Pero un detalle extra, la juntura no es un “terreno plano” : para que un electrón pueda cruzar esa zona, debe
“gastar” un poco de su energía cinética. Así, la juntura resulta ser una “brecha de potencial” y tiene un valor
característico que dependerá del tipo de semiconductor que se use, por ejemplo para el silicio esa brecha es de
casi 1Volt. Si la diferencia de potencial aplicada es menor al de la brecha, no habrá corriente eléctrica.
La Fig. 2a representa el esquema de un diodo tal
como se emplea en los diagramas de los circuitos. La
I
I
Fig. 2b muestra la forma real de un diodo. Hay una ánodo
banda pintada a un costado del cilindro, para indicar el
cátodo
cátodo. En las Fig. 2a y 2b, la flecha indica la dirección
Fig. 2b: Aspecto externo
de la corriente según la convención standard, o sea, una Fig. 2a: Esquema
corriente positiva fluye desde los puntos del circuito de
potencial más alto a los puntos de potencial más bajo.
1
Otro dispositivo que opcionalmente podríamos usar en este experimento, es un led. Éste no es más que
un diodo, pero con una luz, que se prende o se apaga, dependiendo del paso de corriente por el diodo. Su forma
es como una ampolleta pequeña de color.
La fuente de corriente continua
La característica más importante del diodo es que conduce corriente eléctrica con mucho más facilidad
en una dirección que en la otra. Una aplicación importante de este característica es para transformar corriente
alterna en corriente continua. Uno o más diodos junto con un transformador (se estudiará más adelante) forman
la base de una fuente de C.C. que sirve para toda clase de equipos electrónicos. En este experimento, Ud.
construirá una fuente de C.C. muy elemental.
Medidas de Corrientes pequeñas
El rango de medida para corrientes, en los multímetros que tenemos, no nos permite trabajar bien en el
caso de corrientes muy pequeñas. Por esto mediremos la corriente de manera indirecta, usando la ley de Ohm.
Consideremos que sobre una resistencia en vez de medir la corriente sobre ella con el multímetro, mido
el voltaje, y dividiendo por la resistencia, obtengo la corriente. De esta manera, el rango de milesimas de
miliampere que tiene el multímetro, se ve fácilmente sobrepasado con el rango de décimas de milivolt del
multímetro, y una resistencia de más de 1 kΩ.
Por esto, es conveniente cuando trabajamos con corrientes pequeñas, usar una gran resistencia y el
multímetro midiendo voltaje.
MODO X-Y del osciloscopio.
Para esto revise el anexo del osciloscopio
Experimento:
PARTE A : Corriente Directa versus Corriente Inversa en el diodo.
En esta parte, estudiaremos la corriente que puede fluir en un diodo en un sentido, y en el otro.
MONTAJE A:
Con la fuente continua, el diodo y unaMde las resistencias (mida su valor real),
monte el circuito de la figura 3. Conecte los multímetros de manera de medir
el voltaje sobre la resistencia y el diodo. Preocúpese que la polaridad del
circuito sea la de la figura 3.
R
MEDIDA A:
Con la fuente en el rango de 0-15 volt, suba el voltaje al máximo, y anote el
valor del voltaje sobre el diodo y la resistencia ( éste es el caso directo).
Fig 3
Luego invierta la polaridad en la fuente (intercambie los cables de conexión
en la fuente), y disminuya el voltaje de la fuente, hasta llegar al mismo valor de voltaje sobre el diodo que en el
caso anterior. Anote el voltaje del diodo y la resistencia. ( éste es el caso inverso ).
Repita este proceso para las otras tres resistencias.
ANÁLISIS A:
Con los valores de voltaje sobre las resistencias, calcule las corrientes que circulan sobre ellas, y por ende sobre
los diodos ( ¡están en serie! ). Confeccione una tabla, en que para cada voltaje, aparezca la corriente directa e
inversa sobre el diodo, y la razón entre estas dos. Concluya al respecto.
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PARTE B : Voltaje versus corriente en el diodo.
En esta parte estudiaremos el gráfico voltaje versus corriente de un diodo, por dos métodos. En la parte B1,
usando la fuente de poder, y en la B2 usando el osciloscopio.
MONTAJE B1
Conecte el circuito de la figura 3, con la resistencia de 10 kΩ, en el modo de corriente directa.
MEDIDA B1:
Varíe el voltaje de la fuente, y anote valores de corriente y voltaje para 8 valores entre 0 y 15 volt,
confeccionando una tabla.
ANÁLISIS B1
En papel milimetrado, realice un gráfico de V versus I. ¿El diodo cumple la ley de Ohm?. ¿Cuál es el
comportamiento de la resistencia del diodo?.
Bosqueje un gráfico I versus V, y complételo para voltajes negativos, dando una pequeña explicación de por qué
lo dibujo así.
MONTAJE B2
Conecte el circuito de la figura 4, con la resistencia de 10 kΩ. O sea, el enchufe rojo del generador de ondas en
el punto “a” (la señal), el enchufe negro en “c” (la tierra), y la punta del osciloscopio en “b” ( Recuerde que la
tierra del generador y de los dos canales del osciloscopio están todas interconectadas en esta configuración). El
generador debe estar en el canal 1 del osciloscopio, y la punta de prueba en el canal 2.
MEDIDA B2:
Con una señal triangular en el generador de 1 kHz y 4 Vpp, observe el modo X-Y del osciloscopio. Varíe las
escalas horizontales y verticales del osciloscopio, para una mejor
visualización.
ANÁLISIS B2
Observe atentamente el circuito, la punta de prueba está midiendo
el voltaje entre “b” y “c”. La fuente entrega una señal de 4 Vpp,
en donde la resistencia prácticamente fija la corriente del circuito.
¿Qué es lo que estoy viendo entonces en la pantalla del
osciloscopio?.
Para convencerse mejor ajuste el voltaje
correspondiente al eje Y, a una escala menor (la corriente es
pequeña). ¿Concuerda el gráfico con el de B1?. ¿Por qué
introduzco una señal triangular y no, por ejemplo, una cuadrada?
PARTE C : El diodo como rectificador.
En esta parte, vamos a observar el comportamiento del diodo que hace identificarlo como un rectificador.
MONTAJE C1
Arme el montaje de la figura 5. R = 10 KΩ , en este caso
MEDIDA C1
Con el generador de señales, introduzca una señal sinusoidal de
4 Vpp, y 1 kHz.. Con el osciloscopio, vea simultáneamente VIN
y VR con el modo "chop". Preocúpese que ambos canales
tengan la misma escala.
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VIN
Fig. 5: Montaje C
VR
ANÁLISIS C1
Dibuje VR, indicando en el dibujo la amplitud y el período. ¿Cómo son VIN y VR en comparación?. ¿Qué esta
haciendo el diodo sobre la señal de salida (VR)?. ¿Por qué la amplitud de la salida es más pequeña que la de
entrada (recuerde lo que se decía al respecto de la juntura del diodo)?.
MONTAJE C2
El mismo anterior.
MEDIDA C2
Con los multímetros, mida la componente continua y alterna de VIN y VR, ( con el boton AC/DC se cambia de
una componente a otra)
ANÁLISIS C2
Anote los datos anteriores y responda: ¿Tiene la señal de entrada una componente continua?, ¿por qué la
componente alterna de entrada, no mide lo mismo en el multímetro que en el osciloscopio (guía 2)?, ¿Tiene la
señal en R, una componente continua?, ¿qué elemento del circuito es el causante de esto?, ¿por qué al diodo se le
llama rectificador?.
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