Diodos de unión

Informática. Ordenadores. Corriente alterna. Corriente continua. Conductividad eléctrica. Circuitos. Voltaje

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Resumen

La práctica se realiza como un estudio de los materiales semiconductores y su uso en los diodos de unión. Para realizarlo se han llevado a cabo experimentos en función del sentido de la corriente, ya que los diodos son sensibles a este efecto. Debido a esa caracterización se ha hecho hincapié en el experimento de corriente alterna.

Una parte a destacar, es la elaboración de gráficas, ya que el comportamiento del diodo es, a un determinado potencial, irregular y tiende a producir deformaciones en las representaciones al paso de la corriente por él. Aunque este hecho sólo se ha producido en el experimento con la corriente alterna.

Aún así, el diodo se suele utilizar más en circuitos de corriente continua, usándose como regulador del paso de la corriente, como se podrá observar en el primer apartado de la práctica.

En definitiva, el estudio del diodo de unión, y de los semiconductores en general, es importante ya que es uno de los dispositivos electrónicos de mayor utilidad en el campo de la informática y los microprocesadores.

Introducción teórica

Los diodos de unión están basados en los materiales semiconductores y en sus propiedades. Los materiales semiconductores tienen una conductividad media entre los conductores y los aislantes, y son la base de la tecnología moderna, ya que se usan también para la fabricación de transistores y circuitos integrados.

los materiales semiconductores

Los semiconductores están formados por elementos de las columnas centrales de la tabla periódica, entre los más comunes se encuentran el silicio, el germanio, el selenio, el arseniuro de galio, el seleniuro de cinc y el telururo de plomo. El hecho de que se denominen semiconductores es debido a que su conductividad varía mucho según las condiciones ambientales en las que se encuentre el material. De esta forma, el incremento de la conductividad se provoca por los cambios de temperatura, la luz o las impurezas, y esto se debe al aumento del número de electrones conductores que transportan la corriente eléctrica. En un semiconductor característico o puro como el silicio, los electrones de valencia (o electrones exteriores) de un átomo están emparejados y son compartidos por otros átomos para formar un enlace covalente que mantiene al cristal unido.

El origen del incremento de la conductividad eléctrica a causa de la temperatura se debe a que para producir electrones de conducción, se eleva temperatura. Este cambio excita los electrones de valencia y provoca su liberación de los enlaces, de manera que pueden transmitir la corriente. Las deficiencias o huecos que quedan contribuyen al flujo de la electricidad y se dice que estos huecos "transportan" carga positiva.

De esta forma, hay semiconductores en los que la carga la transportan partículas negativas, los electrones, y otros que la "transportan" en los huecos.

semiconductores tipo n y tipo p

También existe otro método para obtener electrones para el transporte de electricidad y consiste en añadir impurezas al semiconductor. Este método se denomina dopar.

La diferencia del número de electrones de valencia entre el material dopante (tanto si acepta como si confiere electrones) y el material receptor hace que crezca el número de electrones de conducción negativos (tipo n) o positivos (tipo p).

Por ejemplo, cuando se introduce fósforo (P) en silicio (Si) puro, el material resultante es silicio dopado con fósforo. Este silicio dopado contendrá un exceso de portadores de carga negativos, ya que el fósforo tiene un electrón de valencia más que el silicio. De manera que éste sería un semiconductor de tipo n. En cambio, si lo dopamos con aluminio (Al), que tiene un electrón de valencia menos que el silicio, ahora sería de tipo p, ya que la carga de los portadores es positiva (o no negativa, ya que se trata de los huecos).

Pero para calificarlos como tales, es necesario que la concentración de donadores o de aceptores (en nuestro ejemplo, el fósforo o el aluminio, respectivamente) sea suficientemente alta como para que la densidad de electrones libres (o huecos) introducidos por la sustancia que dopa al semiconductor sea mucho mayor que la densidad de portadores en el material puro.

Así pues, un diodo de unión es una unión (dada la redundancia) de un material semiconductor tipo p y otro tipo n, de manera que sólo se permite el flujo de corriente en un sentido. Los electrones del material tipo n pueden fluir hacia la izquierda, atravesando el material tipo p, pero la falta de electrones excedentes en el material tipo p impedirá cualquier flujo de electrones hacia la derecha. Se puede observar que la corriente fluye en un sentido opuesto al del flujo de los electrones.

Al crear un circuito, los componentes se polarizan al estar expuestos a una diferencia de potencial. El diodo tiene una propiedad direccional de manera que puede estar polarizado a favor (polarización directa) o en contra (polarización inversa).

Método experimental

Para la realización de la práctica, nos hemos servido principalmente de un diodo y una resistencia. Como fuentes de tensión, se han utilizado la fuente de tensión para el circuito de corriente continua y el generador de funciones para el circuito de corriente alterna.

Para preparar el circuito 1, hemos utilizado una resistencia de 68  y hemos conectado el diodo en polarización directa y a la fuente de tensión. De la misma manera que en el esquema 1, hemos ido realizando el estudio conectando el multímetro a la resistencia y al diodo intercaladamente.

Para medir la intensidad del circuito conectamos el polímetro en serie, según el esquema 2.

En los siguientes ejercicios, hemos conectado el osciloscopio al circuito de corriente alterna, teniendo en cuenta que las bornas rojas y negras deben de estar con sus respectivas bananas, manteniendo la polaridad del mismo. Del mismo modo que en el circuito anterior, hemos ido intercalando la medida de la tension entre el diodo y la resistencia, análogamente que en el esquema 3.

(N= negro, R= rojo)

Resultados obtenidos

R

La práctica constaba de tres ejercicios. En el primero de ellos se medía la caída de potencial en la resistencia, en el diodo y la intensidad del circuito 1 variando la magnitud que aportaba el generador de tensión:

Valores medidos

Tensión en el generador (V)

Caída de potencial en la resistencia (V)

Caída de potencial en el diodo (V)

Intensidad de corriente (mA)

10,00

9,32

0,78

125,80

8,00

7,30

0,77

99,50

6,00

5,25

0,76

72,00

4,00

3,28

0,73

44,70

2,00

1,31

0,69

17,90

1,00

0,36

0,64

4,30

0,80

0,18

0,61

1,16

0,60

0,03

0,55

0,51

0,40

0,00

0,40

0,03

0,20

0,00

0,20

0,00

0,00

0,00

0,00

0,00

-1,00

0,00

-0,98

0,00

-2,00

0,00

-1,98

0,00

-4,00

0,00

-3,99

0,00

-6,00

0,00

-6,02

0,00

-8,00

0,00

-8,03

0,00

-10,00

0,00

-10,04

0,00

'Diodos de unión'

En ambas gráficas el error no ha sido posible representarlo porque es muy pequeño e impediría que se viesen bien las líneas. No obstante el error se calcula en base al grado utilizado en el multímetro. Como la mínima cifra decimal es 0,01 el valor real en cada momento será el valor medido ± 0,02.

Valores con el error

Tensión en el generador (V)

Caída de potencial en la resistencia (V)

Caída de potencial en el diodo (V)

Intensidad de corriente (mA)

10,00

9,32 ±

0,1132

0,78 ±

0,0278

125,80 ±

1,278

8,00

7,30 ±

0,093

0,77 ±

0,0277

99,50 ±

1,015

6,00

5,25 ±

0,0725

0,76 ±

0,0276

72,00 ±

0,74

4,00

3,28 ±

0,0528

0,73 ±

0,0273

44,70 ±

0,467

2,00

1,31 ±

0,0331

0,69 ±

0,0269

17,90 ±

0,199

1,00

0,36 ±

0,0236

0,64 ±

0,0264

4,30 ±

0,063

0,80

0,18 ±

0,0218

0,61 ±

0,0261

1,16 ±

0,03156

0,60

0,03 ±

0,0203

0,55 ±

0,0255

0,51 ±

0,02513

0,40

0,00 ±

0,02

0,40 ±

0,024

0,03 ±

0,02027

0,20

0,00 ±

0,02

0,20 ±

0,022

0,00 ±

0,02

0,00

0,00 ±

0,02

0,00 ±

0,02

0,00 ±

0,02

-1,00

0,00 ±

0,02

-0,98 ±

0,0298

0,00 ±

0,02

-2,00

0,00 ±

0,02

-1,98 ±

0,0398

0,00 ±

0,02

-4,00

0,00 ±

0,02

-3,99 ±

0,0599

0,00 ±

0,02

-6,00

0,00 ±

0,02

-6,02 ±

0,0802

0,00 ±

0,02

-8,00

0,00 ±

0,02

-8,03 ±

0,1003

0,00 ±

0,02

-10,00

0,00 ±

0,02

-10,04 ±

0,1204

0,00 ±

0,02

Tanto en las gráficas como en los datos se observa que el diodo no deja pasar la corriente cuando se trata de voltajes negativos (Nota: conviene resaltar que como toma de voltajes negativos, se entiende a que el circuito se expuso al valor del voltaje en valor absoluto, pero con el diodo en polaridad inversa).

De ese modo se ve que la caída de potencial en él, cuando se somete el circuito a voltajes negativos, es igual a la tensión generada por la fuente. Se puede observar que la caída de la resistencia es nula, al igual que la intensidad del circuito.

La caída de potencial en la resistencia es prácticamente igual a la de la fuente, excepto por un pequeño voltaje que cae en el diodo. Cuando el voltaje llega a 0 y pasa a números negativos, es cuando el circuito deja de recibir corriente y la caída de potencial del diodo es máxima. También conviene observar que la intensidad que circula en el circuito sube a gran velocidad, en parte a que el diodo no dejaba pasar la corriente con facilidad a bajo voltaje.

'Diodos de unión'

En el siguiente ejercicio, en el que se conecta el circuito 2 a una corriente alterna, se aprecia en el gráfico que a bajo voltaje y mínima amplitud ya se nota que las ondas aparecen rectificadas. Subiendo un poco la amplitud de onda se observa mejor la onda rectificada, tanto la del diodo como la de la resistencia.

'Diodos de unión'

El último ejercicio se realiza también con el segundo circuito, y como se observa en sus gráficas la onda tiende a deformarse. Se empieza a notar levemente a 150 Hz, y a una máxima amplitud. Ya para la máxima frecuencia del generador de funciones (5526 KHz) la onda está claramente deformada.

CCuestiones

1. Describe el comportamiento de un diodo en corriente alterna, indicando cuándo cae la tensión en el diodo y cuándo lo hace en la resistencia.

En el osciloscopio se observa que cuando la tensión está en valores negativos, en la onda del diodo se forma una especie de parábola, mientras que en los valores positivos se rectifica. Esto se debe a que en valores negativos, el diodo no deja pasar la corriente y toda la diferencia de potencial recae sobre él, mientras que en valores positivos la corriente ya recae en la resistencia y la onda del diodo se rectifica.

2. Con un diodo se puede rectificar la corriente alterna. ¿Es la corriente rec-tificada igual que una corriente continua como la de los generadores de tensión o tiene algunas diferencias? Discútelas.

No es igual, porque a bajas frecuencias la diferencia entre valores positivos a valores negativos, la caída de potencial tanto en el diodo como en la resistencia varía mucho. A altas frecuencias, aunque parezca que sí podría comportarse como la corriente continua, la onda se deforma, dando unos valores de tensión irregulares.

3. ¿Por qué crees que los procesadores de ordenadores no se pueden emplear a frecuencias superiores a las de comercialización?

Como he mencionado con anterioridad, la gran mayoría de los componentes de un computador (circuitos integrados, microprocesadores,...) usan dispositivos compuestos de elementos semiconductores. Entre ellos también se encuentra el diodo y hemos podido observar que hay un punto (véase la gráfica de la caída de potencial en el diodo contra la intensidad de corriente del circuito 1) en el que la intensidad pasa de ser prácticamente nula a elevarse exponencialmente.

Los ordenadores contienen piezas muy precisas y delicadas y ese aumento de intensidad puede hacer que algunas de esas piezas pueda deteriorarse.

referencias

· Enciclopedia Microsoft Encarta 97.

· Física Clásica y Moderna. W. Edward Gettys, Frederick J. Keller, Malcolm J. Skove. Mc Graw Hill.

· Apuntes de la asignatura.

'Diodos de unión'

los semiconductores se usan mucho en la informática, sobre todo en los circuitos integrados y microprocesadores

'Diodos de unión'

~

Circuito 1. Circuito para el estudio del diodo en corriente continua

Circuito 2. Circuito para el estudio del diodo en corriente alterna

Esquema 1

V

A

Esquema 2

Esquema 3

~

N

R

R

N

'Diodos de unión'