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UNIVERSIDAD CATOLICA ANDRES BELLO
FACULTAD DE INGENIERIA – DEPARTAMENTO DE FÍSICA
LABORATORIO DE FISICA PARA TELECOMUNICACIONES
DIODO SEMICONDUCTOR
En la práctica de Circuitos Resistivos se ha considerado un elemento lineal, la resistencia, donde la
relación voltaje-corriente está descrita por una ecuación lineal, la Ley de Ohm V = I R. Sin embargo,
casi todos los circuitos diseñados para cualquier aplicación específica llevan incorporados también
elementos no-lineales. Es ampliamente conocida la enorme importancia que los semiconductores
tienen en la vida actual, y ellos son un ejemplo de elementos no-lineales. En esta práctica se
considerará un elemento bastante sencillo, el diodo semiconductor: su curva característica y su uso
en un circuito rectificador de media onda. El diodo es el punto de partida para otro elemento no-lineal
fundamental en la electrónica analógica y digital: el transistor.
DIODO SEMICONDUCTOR
Un diodo semiconductor se construye a partir de un material semiconductor (usualmente silicio o
germanio) que es dopado con otro material, lo que le da una propiedad particular, Si el dopaje
produce un cierto exceso de electrones no vinculados a los átomos se habla de un semiconductor
tipo-n (n de negativo); si por el contrario el dopaje deja vacancias (déficit) de electrones en los
enlaces entre los átomos, estas vacancias de electrones se comportan como cargas positivas,
denominadas huecos y se habla entonces de un semiconductor tipo-p (p de positivo).
Un diodo semiconductor se construye uniendo dos porciones de semiconductores con diferente
dopado, uno tipo-n y otro tipo-p. En la región de la junta ocurre un proceso físico que establece una
barrera con una diferencia de potencial característica llamada potencial de barrera de la junta V
(~0.6 V para silicio, ~0.2 V para germanio). Si externamente se coloca una diferencia de potencial con
una polaridad opuesta a la de la barrera (se “vence” la barrera) podrá circular corriente a través del
diodo de acuerdo a la diferencia de potencial externa y se dice que el diodo está polarizado en paso
fácil. Si por el contario, la diferencia de potencial externa tiene la misma polaridad de la barrera
(“incrementa” la barrera) no habrá en ese caso circulación de corriente y se dice que el diodo está
polarizado en paso difícil.
La figura muestra las curvas características I vs
V para un diodo ideal y un diodo real. Nótese
que en el caso real, la corriente en el paso difícil
no es estrictamente cero, sino que es muy
pequeña, del orden de los microamperios. En el
paso fácil hay una pequeña limitación al
comienzo de la curva, originada por el potencial
de barrera de la junta V . Sólo cuando el
voltaje externo supera al potencial de barrera, el
diodo conduce corriente. en el orden de los
miliamperios.
De las curvas características resulta inmediato que la resistencia (inverso de la pendiente) de un
diodo es muy pequeña en paso fácil (cero en el caso ideal) y muy grande en paso difícil (infinito en el
caso ideal) por lo cual resulta sencillo reconocer el paso con un multímetro (algunos multímetros
incorporan la medida directa del potencial de barrera).
El dibujo muestra el símbolo usado para representar gráficamente al diodo
semiconductor: la flecha indica la dirección en que la corriente fluye fácilmente,
correspondiente a la polarización en paso fácil.
RECTIFICACIÓN
Una de las aplicaciones más importantes de los diodos es la
rectificación de la corriente alterna, es decir, su cambio a
corriente directa pulsante, consecuencia de que el diodo
conduce efectivamente en una sola dirección. La corriente
en un circuito con una resistencia en serie con un diodo no
puede ser alterna sino directa pulsante
En el circuito anterior puede notarse que, de acuerdo a la colocación del diodo, los medio ciclos
positivos del voltaje alterno polarizan al diodo en paso fácil y por lo tanto habrá una conducción casi
total de la corriente a través de la resistencia, mientras que los medio ciclos negativos polarizan al
diodo en paso difícil y casi no habrá conducción. La corriente total resulta entonces como una
sucesión de medios ciclos positivos y medios ciclos nulos (recuérdese que la corriente en paso fácil
es del orden de miliamperes mientras que en paso difícil es del orden de microamperes), por lo que
su valor medio es positivo (y no cero como sería el caso de una corriente senoidal).
Se dice entonces que la onda ha sido rectificada y el sistema se conoce como rectificador de media
onda, ya que sólo la mitad del voltaje alterno original está presente en la resistencia.
FILTRADO
Si a la resistencia del circuito anterior se le conecta en paralelo un
condensador con una capacidad lo razonablemente grande, este se cargará
hasta un valor cercano al voltaje máximo del voltaje de entrada y luego
comenzará a descargarse lentamente a través de la resistencia hasta que la
siguiente subida de voltaje lo vuelve a cargar, repitiéndose este proceso
cíclicamente. El valor de la capacidad se escoge de forma de conseguir un
tiempo de descarga largo. De esta manera el valor promedio de la señal
aumenta respecto al caso del rectificador de media onda completa sólo.
PARTE EXPERIMENTAL
1.
CURVA CARACTERÍSTICA DE UN DIODO
1.a
Coloque el selector rotatorio central del multímetro en la posición donde está el símbolo del
diodo. Conecte el diodo a las puntas de prueba recordando que la banda en uno de los
extremos del diodo indica el terminal negativo del mismo, Qué observa en la pantalla? Qué
ocurre si invierte las puntas de prueba?
1.b
Para determinar la curva característica del diodo va a seguir exactamente el mismo
procedimiento que usó para obtener la curva característica de una resistencia.
Recuerde que debe tener cuidado al conectar el multímetro y al escoger función y rango en el
selector de funciones del instrumento. Si va a medir voltaje el selector de funciones debe estar
previamente en el cuadrante superior derecho (V), en esta oportunidad en el rango de 4 V, en la
pantalla el símbolo de corriente directa ==, la medida la hace directamente en paralelo. Si va a
medir corriente el selector de funciones debe estar previamente en el cuadrante inferior
derecho (I) donde aparece el símbolo de corriente directa ==, en esta oportunidad en el rango
de 40 mA, la medida la hace en serie “intercalando” el multímetro.
Instale en el protoboard el circuito mostrado con el diodo dispuesto en
paso fácil (extremo sin banda del diodo conectado al terminal positivo de la
fuente).en serie con una resistencia de valor nominal R = 1K
(marrón-negro-rojo).
Coloque un valor inicial nominal E = 0.2 V en la fuente. Mida con el multímetro la diferencia de
potencial VD en el diodo e inmediatamente la corriente correspondiente que atraviesa la
resistencia.
Repita este proceso incrementando el voltaje nominal en la fuente E de 0.2 V en 0.2 V hasta un
máximo de 1 V. Continúe el proceso a partir de 1 V incrementando el voltaje en la fuente de 2 V
en 2 V hasta un máximo de 15 V.
1.c
Con la fuente en 15 V invierta la polaridad en sus conectores y mida la corriente respectiva.
1.d. Grafique la corriente en el diodo I como función de la diferencia de potencial en sus extremos
VD. Determine el potencial de barrera de la junta V.
2.
RECTIFICACIÓN DE MEDIA ONDA
2.a
Sustituya la fuente de poder de corriente directa por el generador de funciones usando una
señal senoidal de 5 KHz y 5 V de amplitud (10 V de pico a pico).
2.b
En esta ocasión va a usar el osciloscopio con sus
dos canales
(CH1)
y
(CH2).
Encienda el
osciloscopio. Conecte el canal 1 del osciloscopio
directamente a la resistencia y el canal 2 al
generador de funciones. Coloque los conmutadores
que están justo encima de los conectores de
entrada del osciloscopio en la posición central (GND)
a fin de observar solamente un trazo recto en la
pantalla. Use los dos controles para desplazamiento
vertical () para ubicar ambos trazos superpuestos
en el centro de la pantalla.
2.c
Desplace los dos conmutadores a la posición derecha (DC). Describa las dos señales
observadas: entrada (generador de funciones) y salida (resistencia).
3.
FILTRADO
3.a
En el mismo circuito anterior coloque un condensador de 1 F en paralelo con la resistencia de
1K. Describa lo observado en la señal de salida, tomando en cuenta los resultados de la
práctica anterior de Circuitos RC.
3.b
Sustituya el condensador de 1 F por uno de 2.2 F. Describa lo observado en la señal de
salida.
3.c
Para esta última configuración, condensador de 2.2 F en paralelo con la resistencia de 1 K,
mida en la pantalla el voltaje máximo Vmax al que se carga el condensador y el voltaje mínimo
Vmin correspondiente a su descarga parcial hasta justo el momento en que se repite el ciclo.
3.d
Para la señal de salida estime su valor promedio como ½(Vmax + Vmin) con una variación
±½(Vmax – Vmin)
3.e
Desplace los conmutadores a la posición izquierda (AC). Describa lo observado.
REFERENCIAS
Laboratorio de Física (Volumen 2: Electricidad y Magnetismo): Iván Escalona & Perla H. Chocrón.
UCV, Facultad de Ciencias, Escuela de Física (2002)
IE/020616