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Universidad Abierta Interamericana Facultad de Tecnología Informática Ingeniería en sistemas Electromagnetismo y Estado Sólido II TRABAJO PRÁCTICO NÚMERO 2: “Diodos I” Profesores: Carlos Vallhonrat - Marcos Solá Alumnos: Arrieta, Ma. Victoria Dorado, Juan La Grottería, Jorge Sede: Norte Año: 2009 Turno: Noche UNIVERSIDAD ABIERTA INTERAMERICANA Facultad de Tecnología Informática Materia: Electromagnetismo y Estado Sólido II Alumnos: Arrieta, Ma. Victoria – Dorado, Juan - La Grottería, Jorge Docentes: Carlos Vallhonrat – Marcos Solá Sede: Norte Comisión: 5° Turno: Noche Trabajo Práctico Nro 2 – Diodos I Año 2009 Trabajo Practico Página 2 de 14 Obtención de la curva característica de un diodo Objetivos Realizar el estudio de la unión P-N. Obtener la curva característica tensión-corriente de un diodo. Introducción teórica El diodo está constituido básicamente por una juntura o unión de dos materiales semiconductores extrínsecos, uno tipo P y otro tipo N. Esta juntura posee la característica de permitir el paso de la corriente eléctrica en un sentido (siempre que se supere una tensión umbral) y oponerse al paso de la misma en sentido inverso. Al conectar una fuente de alimentación a un diodo existen, por lo tanto, dos tipos de polarizaciones: En polarización directa el positivo de la fuente se conecta al bloque P y el negativo al N. Si la tensión aplicada supera la barrera de potencial o tensión umbral del diodo (~0,65 V para el silicio y ~0,25 V para el germanio) el diodo conduce la corriente. En polarización inversa el negativo de la fuente se conecta al bloque P y el positivo al N. En esta situación el diodo se opone al paso de la corriente eléctrica. Elementos necesarios Multímetro (2), Protoboard. Fuente de corriente continua. Resistencia: 2 K. Diodos 1N4007 (1). Diodos diversos para su verificación. UNIÓN P-N Casi todos los diodos que se fabrican hoy en día están formados por dos tipo de silicio diferentes, unidos entre si. UNIVERSIDAD ABIERTA INTERAMERICANA Facultad de Tecnología Informática Materia: Electromagnetismo y Estado Sólido II Alumnos: Arrieta, Ma. Victoria – Dorado, Juan - La Grottería, Jorge Docentes: Carlos Vallhonrat – Marcos Solá Sede: Norte Comisión: 5° Turno: Noche Trabajo Práctico Nro 2 – Diodos I Año 2009 Trabajo Practico Página 3 de 14 Este conjunto sería del tipo N, ya que deja un electrón libre pues le sobra del enlace, con lo que el átomo (azul) se convierte en un ión positivo al mismo tiempo que contribuye con la generación de un electrón libre, a este átomo lo representaremos: En el caso del tipo P, dejaría un hueco libre, con lo que el átomo se convierte en un ión negativo al mismo tiempo que contribuye con la generación de un hueco libre, a este átomo lo representaremos: Silicio tipo P y silicio tipo N separados Año UNIVERSIDAD ABIERTA INTERAMERICANA Facultad de Tecnología Informática Materia: Electromagnetismo y Estado Sólido II Alumnos: Arrieta, Ma. Victoria – Dorado, Juan - La Grottería, Jorge Docentes: Carlos Vallhonrat – Marcos Solá Sede: Norte Comisión: 5° Turno: Noche 2009 Trabajo Practico Página 4 de 14 Trabajo Práctico Nro 2 – Diodos I Cuando se efectúa esta unión, los electrones y los huecos inmediatos a la unión se atraen, cruzan la unión y se neutralizan. Silicio tipo P y silicio tipo N unidos.- UNIÓN P-N Según este proceso inicial, la zono N próxima a la unión ha perdido electrones y por tanto queda cargada positivamente. Igualmente la zona P próxima a la unión ha perdido huecos, con lo que queda cargada negativamente. Al quedar la zona N próxima a la unión cargada positivamente, rechazará a los huecos de la zona P que quieren atravesar la unión. Exactamente igual la zona P próxima a la unión impedirá el paso de los electrones provenientes de la zona N Por tanto en la zona próxima a la unión aparece una diferencia de potencial llamada "Barrera de potencial interna", que impide el paso de portadores mayoritarios a través de la unión, no pudiendo existir corriente. POLARIZACIÓN DIRECTA Si ahora aplicamos a dicha unión una tensión exterior de signo contrario a la barrera de potencial interna, ésta irá disminuyendo en anchura. A mayor tensión aplicada externamente corresponderá una barrera interna menor y podremos llegar a conseguir que dicha barrera desaparezca totalmente. En este momento los electrones (portadores mayoritarios) de la zona N están en disposición de pasar a la zona P. Exactamente igual están los huecos de la zona P que quieren "pasar" a la zona N. <------------> Región agotada o---- ----o Año UNIVERSIDAD ABIERTA INTERAMERICANA Facultad de Tecnología Informática Materia: Electromagnetismo y Estado Sólido II Alumnos: Arrieta, Ma. Victoria – Dorado, Juan - La Grottería, Jorge Docentes: Carlos Vallhonrat – Marcos Solá Sede: Norte Comisión: 5° Turno: Noche 2009 Trabajo Practico Página 5 de 14 Trabajo Práctico Nro 2 – Diodos I zona P zona N barrera interna de potencial a)Sin polarización Región Iones negativos que han Iones positivos que han agotada "recuperado" sus huecos "recuperado" sus electrones <---> + o-- --o - zona P barrera interna de potencial zona N b) Polarización directa débil, región agotada reducida, pero no eliminada + o-- --o - UNIVERSIDAD ABIERTA INTERAMERICANA Facultad de Tecnología Informática Materia: Electromagnetismo y Estado Sólido II Alumnos: Arrieta, Ma. Victoria – Dorado, Juan - La Grottería, Jorge Docentes: Carlos Vallhonrat – Marcos Solá Sede: Norte Comisión: 5° Turno: Noche Trabajo Practico Página 6 de 14 Trabajo Práctico Nro 2 – Diodos I zona P Año 2009 zona N c) Al aumentar la polarización directa, la zona agotada y su barrera de potencial interna asociada han sido neutralizadas * En la práctica, un diodo se fabrica a base de una única pieza de siliceo, introduciendo tipos diferentes de impurezas por los dos casos de ella, unas que creen material tipo P y otros que creen tipo N. Este proceso se realiza a grandes temperaturas. A la tensión externa que anula la barrera de potencial de la unión y la deja preparada para el paso de los respectivos portadores mayoritarios, se le denomina tensión Umbral. Se la representa po Vu y sus valores prácticos son: Para el Silicio Vu = 0,4 - 0,5 voltios Para el Germanio Vu = 0,05 - 0,06 voltios En esta situación, al aplicar un aumento en la tensión exterior, los electrones se sentirán atraídos por el polo positivo de la pila y los huecos por el negativo de la misma. No hay dificultad para atravesar la unión y por tanto aparecerá una corriente de mayoritarios a través del circuito. A partir de aquí, cualquier aumento de tensión provoca un aumento de la corriente. Al conjunto de tensiones que crean corriente proporcional en el diodo se les llama tensiones de polarización directa o de funcionamiento. Sus valores típicos son: Para el Silicio 0,5 - 0,8 voltios Para el Germanio 0,06 - 0,15 voltios UNIVERSIDAD ABIERTA INTERAMERICANA Facultad de Tecnología Informática Materia: Electromagnetismo y Estado Sólido II Alumnos: Arrieta, Ma. Victoria – Dorado, Juan - La Grottería, Jorge Docentes: Carlos Vallhonrat – Marcos Solá Sede: Norte Comisión: 5° Turno: Noche Trabajo Práctico Nro 2 – Diodos I Año 2009 Trabajo Practico Página 7 de 14 Flujo de corriente en un diodo polarizado en directo Parece lógico pensar que llegará un momento en que el proceso, aumento de tensión exterior, aumento de corriente en la unión, tendrá que parar. Y esto es así, porque a partir de un determinado valor de la tensión exterior aplicada, los electrones se neutralizan en mayor número con los huecos en el interior del diodo y son pocos los que pueden salir al circuito exterior. Es decir que el aumento es absorbido por el mismo diodo. A esta tensión a partir de la cual la corriente a través del diodo se mantiene constante, (en la práctica aumenta ligeramente) se le denomina tensión de saturación. Sus valore típicos son: Para el Silicio Vsat 0,8 - 0,9 voltios Para el Germanio Vsat 0,15 - 0,2 voltios Cualquier intento de provocar un aumento de corriente puede originar a partir de este momento la destrucción del diodo. POLARIZACIÓN INVERSA Si la tensión aplicada externamente al diodo es del mismo signo que la barrera de potencial interna se dice que el diodo está polarizado inversamente. El terminal positivo de la pila atrae a los electrones del material N apartándolos de la unión, mientras que el negativo a trae a las cargas positivas del material P, apartándolos también de la unión. Se crea, por tanto, en la unión, una ausencia de carga, formándose una corriente que recibe el nombre de "corriente inversa de saturación" o "corriente de fuga". Su valor es prácticamente despreciable, pues es del orden de nA (nanoampaerios). El ancho de la capa agotada aumenta al polarizar la unión en sentido inverso. Año UNIVERSIDAD ABIERTA INTERAMERICANA Facultad de Tecnología Informática Materia: Electromagnetismo y Estado Sólido II Alumnos: Arrieta, Ma. Victoria – Dorado, Juan - La Grottería, Jorge Docentes: Carlos Vallhonrat – Marcos Solá Sede: Norte Comisión: 5° Turno: Noche 2009 Trabajo Practico Página 8 de 14 Trabajo Práctico Nro 2 – Diodos I Región Iones negativos que han Iones positivos que han agotada "recuperado" sus huecos "recuperado" sus electrones <---> o-- --o zona P barrera interna de potencial <----> zona N a) Sin polarización inversa Región Iones aceptores negativos Iones donadores positivos agotada que han "perdido" su hueco <-----> <-----> que han "perdido" sus inicial asociado electrones asociados <---> <------------------------------> - o-- --o + zona P barrera interna de potencial <-----------------------------> zona N UNIVERSIDAD ABIERTA INTERAMERICANA Facultad de Tecnología Informática Materia: Electromagnetismo y Estado Sólido II Alumnos: Arrieta, Ma. Victoria – Dorado, Juan - La Grottería, Jorge Docentes: Carlos Vallhonrat – Marcos Solá Sede: Norte Comisión: 5° Turno: Noche Trabajo Práctico Nro 2 – Diodos I Año 2009 Trabajo Practico Página 9 de 14 b) Al aplicar una polarización inversa, el ancho de la capa agotada aumenta Al ir aumentando esta tensión inversa llega un momento en que el diodo pierde su capacidad de bloqueo y fluye entonces una gran corriente inversa. Esta tensión recibe el nombre de "tensión de ruptura". Normalmente en esta situación el diodo se destruye. SIMBOLO DE UN DIODO SEMICONDUCTOR Estructura Símbolo gráfico El material tipo P recibe el nombre de ánodo. El material tipo N recibe el nombre de cátodo La flecha indica el sentido convencional de la corriente CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN DIODO IDEAL Si el diodo está polarizado directamente, su circuito equivalente es el de un conmutador cerrado, pequeña resistencia. UNIVERSIDAD ABIERTA INTERAMERICANA Facultad de Tecnología Informática Materia: Electromagnetismo y Estado Sólido II Alumnos: Arrieta, Ma. Victoria – Dorado, Juan - La Grottería, Jorge Docentes: Carlos Vallhonrat – Marcos Solá Sede: Norte Comisión: 5° Turno: Noche Trabajo Práctico Nro 2 – Diodos I Año 2009 Trabajo Practico Página 10 de 14 Con polarización inversa, el circuito representa un conmutador abierto, gran resistencia. CURVA CARACTERÍSTICA DEL DIODO Con la polarización directa los electrones portadores aumentan su velocidad y al chocar con los átomos generan calor que hará umentar la temperatura del semiconductor. Este aumento activa la conducción en el diodo. Año UNIVERSIDAD ABIERTA INTERAMERICANA Facultad de Tecnología Informática Materia: Electromagnetismo y Estado Sólido II Alumnos: Arrieta, Ma. Victoria – Dorado, Juan - La Grottería, Jorge Docentes: Carlos Vallhonrat – Marcos Solá Sede: Norte Comisión: 5° Turno: Noche Trabajo Práctico Nro 2 – Diodos I 2009 Trabajo Practico Página 11 de 14 Característica I/V de un diodo semiconductor Vu Vs Vr OA AB OC Tensión umbral Tensión de saturación Tensión de ruptura Zona de baja polarización directa, pequeña corriente Zona de conducción Corriente inversa de saturación A partir de C, zona de avalancha OBSERVACIONES Cada diodo tiene su nomenclatura y características La nomenclatura esta directamente relacionada con el uso que se va a hacer del diodo. Las características nos dirán las tensiones y corrientes que cada uno puede soportar En lo próximos capitulos veremos una relación de diodos que se utilicen. Por ahora nos contentaremos con saber cómo conocer los terminales y si el diodo está en buen estado o UNIVERSIDAD ABIERTA INTERAMERICANA Facultad de Tecnología Informática Materia: Electromagnetismo y Estado Sólido II Alumnos: Arrieta, Ma. Victoria – Dorado, Juan - La Grottería, Jorge Docentes: Carlos Vallhonrat – Marcos Solá Sede: Norte Comisión: 5° Turno: Noche Trabajo Práctico Nro 2 – Diodos I Año 2009 Trabajo Practico Página 12 de 14 no, por medio del polimetro. Para ello pondremos el polimetro dispuesto para medir ohmios y la escala en X1 ó X10 según el tipo de polimetro. Aplicando las tomas del polimetro en bornas del diodo primero en una posición y luego en la contraria, pueden darse tres casos: a) En ambos la aguja del polimetro se va a fondo de escala. El diodo está cortocircuitado. b) En ambas posiciones la aguja no parece moverse.. El diodo está en circuito abierto. c) En una posición la aguja no se mueve y en la contraria la aguja se acerca al fondo de escala. El diodo está bien. En este tercer caso, cuando la aguja tiende a ir a fondo de escala, la toma del polimetro que utiliza cable negro (común) está aplicada sobre elánodo del diodo. El otro extremo del diodo será el cátodo. Fuente: http://www.ifent.org/lecciones/diodo/default.asp Desarrollo de la experiencia Parte a) Verificación e identificación de los terminales de un diodo 1. Con el multímetro en la escala de resistencia eléctrica (Ohm) conectar las puntas de prueba a los extremos del diodo a verificar. 2. Con polarización directa la resistencia puede ser medida aunque se observarán valores muy altos (del orden de los M). Con polarización inversa la resistencia es tan alta que no alcanza a ser medida. 3. Identificar, siguiendo los pasos 1 y 2, los extremos P y N de varios diodos. 4. Con los multímetros digitales también pueden probarse diodos en la posición identificada que mide la tensión de conducción de la juntura. Con polarización directa medirá ~ 0,6 V, en tanto que con polarización inversa el valor indicará fuera de rango (OL). Parte b) Determinación de la curva característica corriente-tensión de un diodo 1. Armar el Circuito N° 1, utilizando la R = 2 K. 2. Con polarización directa ir variando la tensión Vf y tomar las lecturas de corriente y tensión (I y V) para los valores de la Tabla I. 3. Con polarización inversa ir variando la tensión Vf y tomar las lecturas de corriente y tensión (I y V) para los valores de la Tabla II. 4. Con los valores obtenidos, dibujar la curva característica I vs V del diodo ensayado. UNIVERSIDAD ABIERTA INTERAMERICANA Facultad de Tecnología Informática Materia: Electromagnetismo y Estado Sólido II Alumnos: Arrieta, Ma. Victoria – Dorado, Juan - La Grottería, Jorge Docentes: Carlos Vallhonrat – Marcos Solá Sede: Norte Comisión: 5° Turno: Noche Trabajo Práctico Nro 2 – Diodos I Año 2009 Trabajo Practico Página 13 de 14 Cuestionario Comparar los valores obtenidos en la curva característica del diodo con los proporcionados en los catálogos del fabricante (pueden buscarse en Internet). Tensión umbral = 0,688 V Resistencia Interna = 1,733 MΩ Vf 0,00 0.2 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4 4.8 5.2 (Volt) I 0,00 0,00 0,00 0,15 0,37 0,58 0,80 0,99 1,23 1,45 1,85 2,16 2,31 2,56 2,78 (mA) V 0,00 0,20 0,23 0,47 0,51 0,54 0,56 0,57 0,57 0,58 0,59 0,60 0,61 0,61 0,62 (Volt) Grafico de la curva característica del diodo en directa Año UNIVERSIDAD ABIERTA INTERAMERICANA Facultad de Tecnología Informática Materia: Electromagnetismo y Estado Sólido II Alumnos: Arrieta, Ma. Victoria – Dorado, Juan - La Grottería, Jorge Docentes: Carlos Vallhonrat – Marcos Solá Sede: Norte Comisión: 5° Turno: Noche 2009 Trabajo Practico Página 14 de 14 Trabajo Práctico Nro 2 – Diodos I Curva Caraterìstica del diodo en directa 3,00 2,50 2,00 Amperes 1,50 1,00 0,50 0,00 0,00 0,51 0,57 0,61 Volts Vf (Volt) 0 2 4 6 8 10 12 14 I (mA) 0,000 0,001 0,003 0,005 0,007 0,008 0,012 0,015 V (Volt) 0,00 1,94 3,75 5,68 7,68 9,80 11,90 13,95 Grafico de la curva con polaridad invertida Curva Caracterìstica del diodo en inversa 0,016 0,014 0,012 Amperes 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0 0 1,94 3,75 5,68 7,68 Volts 9,8 11,9 13,95