EXPERIMENTO DE LABORATORIO N3TEMA: CARACTERSTICAS BSICAS DEL DIODO SEMICONDUCTOR (SILICIO Y GERMANIO)

1. OBJETIVOS: 1. Utilizar las caractersticas de operacin de los diodos semiconductores.

1. INTRODUCCION TEORCA:

DIODOUn diodo es un dispositivo que permite el paso de la corriente elctrica en una nica direccin. De forma simplificada, la curva caracterstica 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 pequea resistencia elctrica. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de convertir una corriente alterna en corriente continua.

DIODO PN UNIN PN:Los diodos pn son uniones de dos materiales semiconductores extrnsecos tipos p y n, por lo que tambin reciben la denominacin de unin pn. Hay que destacar que ninguno de los dos cristales por separado tiene carga elctrica, ya que en cada cristal, el nmero 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 difusin de electrones del cristal n al p (Je).

Formacin de la zona de carga espacial

Al establecerse estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unin, zona que recibe diferentes denominaciones como zona de carga espacial, de agotamiento, de vaciado, etc. A medida que progresa el proceso de difusin, la zona de carga espacial va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unin. Sin embargo, la acumulacin de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo elctrico (E) que actuar sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondr a la corriente de electrones y terminar detenindolos.Este campo elctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensin 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 est mucho ms dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor.Al dispositivo as 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 est polarizado. Al extremo p, se le denomina nodo, representndose por la letra A, mientras que la zona n, el ctodo, se representa por la letra C.

A (p)C (n)

Representacin simblica del diodo pn

Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensin externa, se dice que el diodo est polarizado, pudiendo ser la polarizacin directa o inversa.

POLARIZACIN DIRECTA:En este caso, la batera disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a travs de la unin; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad. Para que un diodo est polarizado directamente, tenemos que conectar el polo positivo de la batera al nodo del diodo y el polo negativo al ctodo. En estas condiciones podemos observar que: El polo negativo de la batera repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unin p-n. El polo positivo de la batera atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unin p-n. Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batera es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energa suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unin p-n. Una vez que un electrn libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los mltiples huecos de la zona p convirtindose en electrn de valencia. Una vez ocurrido esto el electrn es atrado por el polo positivo de la batera y se desplaza de tomo en tomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batera. De este modo, con la batera cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a travs del diodo una corriente elctrica constante hasta el final.

POLARIZACIN INVERSA:En este caso, el polo negativo de la batera 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 tensin en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensin de la batera, tal y como se explica a continuacin: El polo positivo de la batera 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 batera. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los tomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrn en el orbital de conduccin, adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de valencia, ver semiconductor y tomo) y una carga elctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos. El polo negativo de la batera cede electrones libres a los tomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos tomos slo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los tomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrn que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batera entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los tomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga elctrica neta de -1, convirtindose as en iones negativos. Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial elctrico que la batera. En esta situacin, el diodo no debera conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarn pares electrn-hueco (ver semiconductor) a ambos lados de la unin produciendo una pequea corriente (del orden de 1 A) denominada corriente inversa de saturacin. Adems, existe tambin una denominada corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequea corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los tomos de silicio no estn rodeados de suficientes tomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los tomos 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 travs de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de saturacin, la corriente superficial de fugas es despreciable.CURVA CARACTERSTICA DEL DIODO:

Tensin umbral, de codo o de partida (V). La tensin umbral (tambin llamada barrera de potencial) de polarizacin directa coincide en valor con la tensin 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. Corriente mxima (Imax). Es la intensidad de corriente mxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto Joule. Dado que es funcin de la cantidad de calor que puede disipar el diodo, depende sobre todo del diseo del mismo. Corriente inversa de saturacin (Is). Es la pequea corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formacin de pares electrn-hueco debido a la temperatura, admitindose que se duplica por cada incremento de 10 en la temperatura. Tensin de ruptura (Vr). Es la tensin inversa mxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha. Tericamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducir la corriente inversa de saturacin; en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensin, en el diodo normal o de unin 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 polarizacin inversa se generan pares electrn-hueco que provocan la corriente inversa de saturacin; si la tensin inversa es elevada los electrones se aceleran incrementando su energa cintica de forma que al chocar con electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de conduccin Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto ms dopado est el material, menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el campo elctrico E puede expresarse como cociente de la tensin V entre la distancia d; cuando el diodo est muy dopado, y por tanto d sea pequeo, el campo elctrico ser grande, del orden de 3105 V/cm. Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos especiales, como los Zener, se puede producir por ambos efectos.1. MATERIALES Y EQUIPOS:0. Una fuente de corriente continua variable.0. Un multmetro.0. Un miliampermetro y micro ampermetro.0. Un diodo semiconductor de Si y uno de Ge.0. Un voltmetro de c.c.0. Resistencia de 100.0. Cables conectores.

III. PROCEDIMIENTO:1. Usando el Ohmmetro, 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 potencimetro, observar y medir la corriente y el voltaje directo del diodo, registrar sus datos en la tabla 2. (usar miliampermetro)b. Invertir el diodo verificando al mismo tiempo la polaridad de los instrumentos, proceder como en a), registrando los datos en al tabla 3. (usar micro ampermetro)

3. Usando el ohmmetro, medir las resistencias directa e inversa del diodo de Germanio. Registrar los datos en la tabla 4.

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 y 6.

IV. DATOS OBTENIDOS:

TABLA 1(Si)

R directa()R inversa()

5492.237M

TABLA 2

Vcc(V.)0.410.50.550.650.780.851.11.451.751.852.12.7

Id(mA.)0.10.20.40.81.62.55.08.010.012.015.020.0

Vd(v.)0.4770.5060.5360.5660.6020.6240.6560.6790.6910.6970.7070.720

TABLA 3

Vcc(V.)0.02.04.06.08.010.012.015.020.0

Vd(V.)0.0161.9833.955.977.899.8511.8515.0619.75

Id(A.)000000000

TABLA 4 (Ge)

R directa ()R inversa()

241 114.8K

TABLA 5:

Vcc(V.)0.150.180.250.320.450.550.891.251.51.61.922.4

Id(mA.)0.10.20.40.81.62.55.08.010.012.015.020.0

Vd(v.)0.1590.1860.2290.2620.3080.3390.3930.4360.4590.4720.4950.526

TABLA 6:

Vcc(V.)0.01.02.04.06.08.010.012.015.018.020.0

Vd(V.)0.0111.0011.9753.915.877.879.8511.8214.9217.8119.75

Id(A.)02.2533.544.44.514.9 5.15.85.8

V. CUESTIONARIO FINAL:1. Construir el grafico Id = f (Vd) con los datos de las tablas 2 y 3. (Si.)Calcular la resistencia dinmica del diodo. (Usar papel milimetrado) TABLA 2 :

Primer caso:

Segundo caso:

Tercer caso:

Cuarto caso:

Quinto caso:

Sexto caso:

Sptimo caso:

Octavo caso:

Noveno caso:

Dcimo caso:

Undcimo caso:

TABLA 3:

DISPOSITIVOS ELECTRONICOS FIEE-UNMSM

19

Primer caso:

+

Segundo caso:

+

Tercer caso:

+ Cuarto caso:

+

Quinto caso:

+

Sexto caso:

+

Sptimo caso:

+

Octavo caso:

+

2. Construir el grafico Id = f (Vd) con los datos de las tablas 5 y 6. (Ge.)Calcular la resistencia dinmica del diodo. (Usar papel milimetrado)

TABLA 5:

Primer caso:

Segundo caso:

Tercer caso:

Cuarto caso:

Quinto caso:

Sexto caso:

Sptimo caso:

Octavo caso:

Noveno caso:

Dcimo caso:

Undcimo caso:

TABLA 6:

Primer caso:

Segundo caso:

Tercer caso:

Cuarto caso:

Quinto caso:

Sexto caso:

Sptimo caso:

Octavo caso:

Noveno caso:

Dcimo caso:

3. Interpretar los datos obtenidos en las tablas.En la tabla 1, se observa que la resistencia interna del diodo de silicio es pequea cuando est en directa (549) en comparacin que cuando est en inversa (su resistencia es mucho mayor que 2.237M).

Entonces se infiere que el diodo de germanio, en directa, su resistencia es pequea en comparacin que cuando est en inversa.

Con los datos obtenidos de la tabla 2 y 3, se observa que cuando esta polarizado inversamente, prcticamente no hay corriente, y cuando est polarizado directamente la corriente es alta.

En la tabla 4 medimos la resistencia del diodo de germanio, y tambin la resistencia directa es menor en comparacin a la inversa, pero en este caso sus valores no son muy grandes como los del silicio, ya que en el silicio su resistencia inversa era superior a 2.237M, y en el de germanio llegaba a 114.8K.De las tablas 5 y 6, se observa del diodo de Germanio, en directa conduce, y a partir de un punto surge una avalancha de corriente.

Pero en inversa hay una pequea corriente que se origina, eso se debe que su resistencia no es lo suficientemente grande.

Entonces comparando los diodos de silicio y de germanio, se puede decir que es mucho mejor usar el diodo de silicio por las caractersticas ya observadas.

4. Explicar los controles de operacin de la fuente DC utilizada.En una fuente de poder de cc de salida variable. La pantalla digital indica el voltaje o la corriente de salida. Puede trabajar en modo de CC (corriente contante) o CV (voltaje constante), un LED indica el modo en el que funciona. Hay perillas dedicada para el ajuste de voltaje fino o grueso del voltaje o la corriente. Se tienen tres bornes de conexin. Uno para el voltaje positivo (rojo) otro para el negativo (negro) y la conexin a tierra fsica (verde).

VI. CONCLUSIONES: Para realizar estos circuitos siempre debe dequedar muy claroque siempre se va a trabajar condiodos reales as que no siempre se debe esperarlos resultados tericos. Tal como se esperaba, el los diodos actuaron tal como lo aprendido tericamente: Conduciendo en polarizacin directa y abriendo el circuito en polarizacin inversa. Un diodo impedir la conduccin de corriente cuando se encuentre polarizado inversamente. Se comportara como un circuito abierto. Un diodo permitir la conduccin de corriente cuando se encuentra polarizadodirectamente. Se comportara como un circuito cerrado.

VII. BIBLIOGRAFA: Gua para mediciones electrnicas y prcticas de laboratorio. Stanley Wolf y Richard Smith. http://www.unicrom.com Millman J., Halkias Ch.C. Dispositivos y Circuitos Electrnicos. 5ta edicin. Mc. Graw Hill, 1983. http://es.wikipedia.org Lob U. Funcionamiento del diodo semiconductor ep 14. Marcombo Boixareu Editores, 1987. Boylestad R., Nashelky L. Electrnica teora de Circuitos, Prentice Hall int.1992.