Practica 1. Diodo Semiconductor PDF

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIAMECANICA YELECTRICA UNIDADCULHUACÁNPRACTICA 1 Diodos y SemiconductoresELECTRONICA ANALOGICAAlumno: Heras Miranda Moisés AmielGRUPO: 4CVPROFESOR: Vargas Reyes OrlandoASIGNATURA:ELECTRÓNICA ANALÓGICA.Práctica 1Diodos SemiconductoresFuente de ...

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA YELECTRICA UNIDAD CULHUACÁN PRACTICA 1 Diodos y Semiconductores ELECTRONICA ANALOGICA Alumno: Heras Miranda Moisés Amiel GRUPO: 4CV24 PROFESOR: Vargas Reyes Orlando

ASIGNATURA: ELECTRÓNICA ANALÓGICA. Práctica 1 Diodos Semiconductores

Fuente de alimentación variable

Multimetro Digital

Resistencia

Protoboard

Osciloscopio

Diodo de Silicio

EXPOSICIÓN Se pueden usar diodos semiconductores para reemplazar a tubos al vacío (bulbos). Este dispositivo se fabrica con un material impurificado con exceso de cargas negativas, o electrones (tipo N), y un material con impurezas positivas (tipo P) lo que causa una diferencia de electrones. Los materiales de tipo P o N se producen impurificando químicamente un material semiconductor como el germanio o el silicio. En la unión PN (consulte la Fig. 1-1) se forma una región de vaciamiento de cargas conocida como barrera o colina de potencial; en ella los electrones en exceso se combinan con los huecos que se encuentran en la vecindad inmediata de la unión PN (pero no en todo el diodo) formando así la región de vaciamiento.

Fig. 1-1

Consulte la Fig. 1-1A, cuando se aplica una fuente de potencial negativo al material tipo N, el exceso de electrones repelidos de este material encontrará una trayectoria sin obstáculos a través de la unión PN (reduciendo la barrera de potencial), hacia el material tipo P y finalmente hacia la terminal de potencial más positivo de la fuente. Esta unión está polarizada directamente (baja resistencia a cd), de modo que fluirá la máxima corriente a través del diodo. Estudie la Fig. 1-1B, cuando se aplica una fuente de potencial positivo al material tipo N, los electrones se alejan de la unión PN en dirección de la terminal positiva de la fuente (aumentando la barrera de potencial). Las cargas positivas del material tipo P se mueven hacia la terminal negativa fuente. Los electrones no pueden fluir fácilmente a través del diodo, de la terminal negativa hacia la positiva de la fuente, debido a la acción interna en el material PN y la mayor barrera de potencial. Esta unión está polarizada inversamente (alta resistencia a cd) y fluirá muy poca o ninguna corriente a través del diodo. Examine la Fig. 1-2, en ella se ilustra el símbolo esquemático, los tipos de material y

las polaridades de la tensión de polarización de un diodo semiconductor típico. En la condición de polarización directa, los electrones fluyen siempre en dirección opuesta a la indicada por la flecha del símbolo esquemático del diodo.

Fig. 1-2 El diodo semiconductor se usa principalmente como rectificador, pero tiene muchas aplicaciones en circuitos de conmutación, detección y regulación. Al seleccionar un diodo semiconductor, debe especificarse la máxima corriente permisible en sentido directo (IF) en la condición de polarización directa, así como la máxima tensión inversa de pico (VPI) en la condición de polarización inversa. Otras características importantes son la corriente de fuga, temperatura de operación, rapidez de conmutación, ruido, clasificación de sobretensión y la respuesta en frecuencia. El semiconductor ideal tendría una resistencia nula en sentido directo y una resistencia inversa infinita, como se ilustra en la Fig. 1-3. Las características reales varían como se muestra en Fig. 1-3. La polarización inversa que se indica en la gráfica esta expresada en volts, mientras que la directa lo está en mili volts.

Fig. 1-3

En esta figura observamos que la curva característica de un diodo típico muestra una corriente inversa de fuga, muy reducida (del orden de micro amperes), cuando está en la condición de polarización inversa. A través de una unión PN circulará una corriente inversa de fuga muy pequeña; pero está es insignificante cuando se compara con la magnitud de la corriente que circula en condiciones de polarización directa.

LECTURA Y ESTUDIO Estudie en su libro de texto la sección de diodos y rectificación

INSTRUMENTOS Y COMPONENTES • • • • • • • • • • •

Fuente de voltaje de 5.0 Vcd. Fuente de voltaje de 0 a 30 Vcd. Fuentes de voltaje de 6.0 Vca. o utilizar el generador de funciones ajustado a estamisma tensión con una frecuencia de 60 Hz. Multímetro (Amperímetro, Voltímetro y Ohmetro.) Osciloscopio DR1 – Diodo de silicio 1N4001 o 1N4002 o 1N4003. R1 – 270 ohms, 2W R2 – 1 K ohms, ½ W P1 – Potenciómetro 1 K ohm (NO UTILIZAR un potenciómetro tipo PRESET) Protoboard Fusibles de repuesto para Amperímetro Tipo Europeo de 0.250 Amp. (Nota: Un valor mas elevado en las características del fusible no será aceptado ya que puede dañar el instrumento)

1. Un dispositivo semiconductor no puede soportar una sobrecarga de corriente; cuando esto sucede, el diodo quedará dañado permanentemente. Generalmente se sigue el procedimiento para determinar si un diodo está en buen estado y constituye también unademostración práctica de la polarización inversa y directa usando la fuente de potencial que se tiene en un ohmetro. Conecte el ohmetro en la escala de R X 100. La terminal común del Voltímetro debe tener polaridad negativa. Conecte el ohmetro al diodo en la condición de polarización directa, como se indica en la Fig. 1-2B, y mida su resistencia en sentido directo. Rdirecta = 582.99 ohms Conecte el ohmetro al diodo en la condición de polarización inversa, como se indica en la Fig. 1-2C, y mida su resistencia en sentido inversa. Rinversa = 1.0005 Megaohms Un buen diodo indicará relativamente poca resistencia en la condición de polarización directa e infinita o muy alta en la de polarización inversa

En esta figura observamos que la curva característica de un diodo típico muestra una corriente inversa de fuga, muy reducida (del orden de micro amperes), cuando está en la condición de polarización inversa. A través de una unión PN circulará una corriente inversa de fuga muy pequeña; pero está es insignificante cuando se compara con la magnitud de la corriente que circula en condiciones de polarización directa.

LECTURA Y ESTUDIO Estudie en su libro de texto la sección de diodos y rectificación

INSTRUMENTOS Y COMPONENTES • • • • • • • • • • •

Fuente de voltaje de 5.0 Vcd. Fuente de voltaje de 0 a 30 Vcd. Fuentes de voltaje de 6.0 Vca. o utilizar el generador de funciones ajustado a estamisma tensión con una frecuencia de 60 Hz. Multímetro (Amperímetro, Voltímetro y Ohmetro.) Osciloscopio DR1 – Diodo de silicio 1N4001 o 1N4002 o 1N4003. R1 – 270 ohms, 2W R2 – 1 K ohms, ½ W P1 – Potenciómetro 1 K ohm (NO UTILIZAR un potenciómetro tipo PRESET) Protoboard Fusibles de repuesto para Amperímetro Tipo Europeo de 0.250 Amp. (Nota: Un valor mas elevado en las características del fusible no será aceptado ya que puede dañar el instrumento)

2. Un dispositivo semiconductor no puede soportar una sobrecarga de corriente; cuando esto sucede, el diodo quedará dañado permanentemente. Generalmente se sigue el procedimiento para determinar si un diodo está en buen estado y constituye también unademostración práctica de la polarización inversa y directa usando la fuente de potencial que se tiene en un ohmetro. Conecte el ohmetro en la escala de R X 100. La terminal común del Voltímetro debe tener polaridad negativa. Conecte el ohmetro al diodo en la condición de polarización directa, como se indica en la Fig. 1-2B, y mida su resistencia en sentido directo. Rdirecta = 582.99 ohms Conecte el ohmetro al diodo en la condición de polarización inversa, como se indica en la Fig. 1-2C, y mida su resistencia en sentido inversa. Rinversa = 1.0005 Megaohms Un buen diodo indicará relativamente poca resistencia en la condición de polarización directa e infinita o muy alta en la de polarización inversa

Explique por qué. Un diodo simple está compuesto por la unión de dos materiales semiconductores P y N, que se comportan como iones con cargas positivas y negativas respectivamente, en la frontera entre estos dos materiales existe una región denominada zona de deplexión, en donde se vacían los portadores de carga mayoritarios de los iones receptores y de los iones donadores, con lo que se crea una barrera de potencial que mantiene las cargas separadas, esta barrera de potencial puede reducirse o incrementarse si se le aplica una fuente de tensión externa, y su comportamiento está función de la polaridad aplicada a las terminales del diodo, favoreciendo la conductividad cuando el terminal positivo de la fuente esta conectado con el semiconductor tipo P y el terminal negativo con el semiconductor tipo N, mientras que en polaridad inversa a esta, el comportamiento tiende a ser como una resistencia. 2. Construir el circuito de la Fig. 1-4a. Asegúrese de que observa la polaridad adecuada enel miliamperímetro y en el diodo. La terminal-común del Voltímetro debe ir conectadaa la terminal negativa de la fuente de energía. Conecte hasta el último momento el Diodo 1N4001 ya que se debe de asegurar de tener 0.0 Volts entre las terminales de ANODO y CÁTODO que alimentaran al diodo, una vez verificado lo anterior conecte el diodo.

Fig. 1-4

3. Partiendo de cero volts en el voltímetro, aumente la tensión entre las terminales

del diodo moviendo lentamente el cursor del potenciómetro hasta que el miliamperímetro indique 1mA; anote la tensión aplicada al diodo con el voltímetro. En la tabla 1-5 bajo IF = 1 mA y haga lo mismo para cada uno de los valores de IF que aparecen en la tabla anotando las tensiones obtenidas. IF

1

ES

0.58 3

2 0.61 4

3

4

0.63 4

0.64 6

5 0.65 6

6

7

8

9

10

mA

0.66 4

0.67 1

0.67 7

0.68 3

0.68 8

Vol ts

Tabla 1-5

4. Haga una gráfica de los datos obtenidos en el punto 3 en la Fig. 1-6. Trace una curva continua que toque todos los puntos marcados y desígnela, RL = 0.

Fig. 1-6

5. Vuelva la tensión del diodo a cero regresando el cursor del potenciómetro su punto de partida e invierta las conexiones del diodo de silicio. Conecte ahora la fuente de alimentación de de 0 a 20 Volts como lo indica la figura 1-4 b. Aumente la tensión de la fuente a 20 volts. ¿Cuál es la magnitud de la corriente cuando se polariza inversamente al diodo? IR= 0.2 μA

Explique: Al invertir las conexiones del diodo invertimos la polaridad de los terminales, conectando el semiconductor P con la terminal negativa de la fuente y el semiconductor N con la terminal positiva de la fuente, esto provoca que la zona de agotamiento en la línea de unión del diodo aumente, y en consecuencia aumente la resistencia del diodo, permitiendo que circule una corriente millones de veces inferior a la que podría circular con polarización directa. Vuelva la tensión de la fuente a cero. 6. Construya el circuito de la Fig. 1-7, asegurándose de tener la polarización adecuada en elVoltímetro, el miliamperímetro y el diodo. Ahora mediremos la corriente de ánodo en sentido directo en función de la tensión de la fuente, con una carga de 270 ohms.

Fig. 1-7 7. Repita la misma operación que se efectuó en el punto 3 pero ahora con la fuente de alimentación de 0 a 20 Volts. tal y como se indica en figura 1-7 y anote los resultados en la tabla 1-8. IF Es

1 0.851

2

3

4

5

6

7

8

9

10

mA

1.16

1.45

1.72

2.01

2.28

2.56

2.84

3.11

3.4

VOLT S

Tabla 1-8

8. Substituya la resistencia de 270 ohms (R1) por la de 1K (R2) repita el punto 7 y registre los resultados obtenidos en la tabla 1-9. 1

2

3

1.58

2.61

3.63

4

5

4.65

5.66

6 6.66

Tabla 1-9

7

8

7.67

8.68

9

10

mA

9.68

10.69

VOLTS

9. Haga la representación gráfica de las curvas utilizando los datos recabados

en los puntos 7 y 8 en la gráfica de la Fig. 1-6. Cuando dibuje la curva del punto 8, solo podrá marcar 3 o 4 puntos. Basándose en estos puntos y en los datos de la tabla 1-9, deberá tener una buena idea de la curva resultante. Marque cada una de ellas de acuerdo con el valor de su resistencia de carga, es decir, RL = 0, RL = 270 ohms y RL = 1 K ohm.

10. Compare las curvas obtenidas ¿cuál es más lineal? ¿Qué conclusiones puede sacar de la gráfica respecto al aumento de la resistencia en serie? En ausencia de una resistencia, el comportamiento de la corriente en el diodo parece describir un incremento de tipo exponencial con respecto a un incremento lineal de la tensión, mientras que al conectar una resistencia en serie el comportamiento de la corriente parece comportarse de forma lineal, tal y como lo hace una resistencia. Observe la Fig. 1-6 y estudie la curva del diodo que se obtuvo sin resistencia de carga (RL = 0 ) ¿Por qué la curva tiene esa forma? Un diodo conectado en polarización directa posee buenas propiedades de conductividad, sin embargo esta característica depende de factores como la temperatura del ambiente, el potencial de barrera de la unión PN y de la tensión suministrada a esta, por lo que siempre habrá una diferencia de potencial a vencer para permitir el flujo de electrones, conforme se incrementa la tensión el efecto de resistencia que produce está diferencia de potencial se va haciendo más y más pequeña, lo suficiente como para considerarse un cortocircuito. ¿Aproximadamente a que tensión se considera que el diodo está totalmente polarizado en sentido directo? El potencial de barrera puede ser superado bajo diferentes circunstancias, como la temperatura ambiente, el dopaje de tipo P y N, o del material con el que esté fabricado el diodo, los casos más comunes son: Silicio = más de 0.7 volts @ 25 °C. Germanio = más de 0.3 volts @ 25 °C. 11. Construya el circuito de la Fig. 1-10.12

Aplique 12.6 V de tensión alterna al circuito. Conecte el osciloscopio calibrado a los puntos A y C y trace a continuación una onda obtenida.

FORMA DE ONDA EN AY C

FORMA DE ONDA EN B Y C

CUESTIONARIO 1.- ¿Cómo se forman los materiales tipo P y N? R= Estos 2 se forman a través de una técnica que se llama dopaje, esta técnica agrega impurezas al material ya sean electrones para volverlo N (cargado con más cargas negativas)o huecos (consideradas cargas positivas). Tipo N Se llama material tipo N (o negativo) al que posee átomos de impurezas que permiten la aparición de electrones (de ahí su denominación de negativo o N) sin huecos asociados a los mismos semiconductores. Los átomos de este tipo se llaman donantes ya que "donan" o entregan electrones. Suelen ser de valencia cinco (Grupo V de la tabla periódica), como el Arsénico y el Fósforo.De esta forma, no se ha desbalanceado la neutralidad eléctrica, ya que el átomo introducido alsemiconductor es neutro, pero posee un electrón no ligado, a diferencia de los átomos que conforman la estructura original, por lo que la energía necesaria para separarlo del átomo serámenor que la necesitada para romper una ligadura en el cristal de silicio (o del semiconductor original). Finalmente, existirán más electrones que huecos, por lo que los primeros serán los portadoresmayoritarios y los últimos los minoritarios. Tipo P Se llama así al material que tiene átomos de impurezas que permiten la formación de huecos (de ahí que se denominen P o positivos) sin que aparezcan electrones asociados a los mismos,como ocurre al romperse una ligadura. Los átomos de este tipo se llaman aceptores, ya que "aceptan" o toman un electrón. Suelen ser de valencia tres (grupo III de la tabla periódica), como el Aluminio, el indio o el Galio. Nuevamente, el átomo introducido es neutro, por lo que no modificará la neutralidad eléctrica del cristal, pero debido a que solo tiene tres electrones ensu última capa de valencia, aparecerá una ligadura rota, que tenderá a tomar electrones de los átomos próximos, generando finalmente más huecos que electrones, por lo que los primeros serán los portadoresmayoritarios y los segundos los minoritarios. Al igual que en el material tipo N, la cantidad de portadores mayoritarios será función directa de la cantidad de átomos de impurezas introducidos. El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Boro (dopaje P). En el caso del boro le falta un electrón (de acuerdo con la regla del octeto) y, por tanto, se dona un hueco de electrón. 2.- Mencione tres ventajas de los dispositivos semiconductores sobre los tubos al vació. R=Consumen menos energía, generan menos calor, mayor vida útil, más

robustos y compactos, más rápidos. 3.- ¿Cuáles son las dos características que determinan la máxima conducción de operación de un diodo semiconductor? R= Polarización directa del diodo y un voltaje mayor al voltaje de barrera. 4.- ¿Qué quiere decir polarización directa e inversa? R= Si el terminal positivo de la fuente está conectado al material tipo p y el terminal negativode la fuente está conectado al material tipo n, diremos que estamos en "Polarización Directa".

Se invierte la polaridad de la fuente de continua, el diodo se polariza en inversa, el terminal negativo de la batería conectada al lado p y el positivo al n, esta conexión sedenomina "Polarización Inversa"

5.- ¿Qué es lo que determina la operación o función de un dispositivo semiconductor? R= Se comporta como un conductor o como un aislante dependiendo de diversos factores,como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. El tipo de semiconductor que sea si es un intrínseco (hecho del mismo material Si, Ge) noconducirá corriente y se comportara como un aislante ya que a completa su capa de valencia con 8 electrones. Mientras que un extrínseco fue sometido a un dopaje lo que quiere decir que tiene impurezas negativas (electrones) o positivas (huecos) ya sea respectivamente N, P. El punto del dopaje es aumentar su conductividad por ejemplo en una unión PN.

6.- ¿Puede un semiconductor soportar una sobrecarga de corriente? No, un dispositivo semiconductor no puede soportar una sobrecarga de corriente, cuando esto sucede, el diodo resultará dañado permanentemente. CONCLUSIONES: Un dispositivo semiconductor como el diodo es solo conductor bajo ciertas condiciones. El diodo también puede llamarse un dispositivo ‘No lineal’, esto debido a que su gráfica no es una línea recta. Hay 2 maneras de polarizar un diodo, cuando se polariza directamente y cuando se polariza de manera inversa. Cuando se polariza de manera directa se dice que el diodo está cerrado, se puede representar en un esquemático como si fuera un alambre o interruptor cerrado si es un diodo ideal, si es un diodo de silicio se representa como una fuente de 0.7 v. Cuando un diodo toca su zona de ruptura es cuando comenzará a conducir la electricidad, mientras está por llegar es decir antes de esta zona solo conducirá un mínimo de corriente la cual se le llama ‘corriente de fuga’. En un diodo de Silicio la zona de ruptura de 0.7 V y de Germanio 0.3 V, el más utilizado es el diodo de Silicio...