Diodos semiconductores

Electrónica. Características. Resistencia. Rectificadores de onda. Circuitos recortadores. Polarización

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'Diodos semiconductores'

Informe Laboratorio Electrónica I.

Experiencia Nº 1: DIODO SEMICONDUCTOR

1.- Objetivos:

  • Determinar las características estáticas, dinámicas y otros parámetros importantes en los diodos semiconductores de mayor aplicación.

  • Aplicar el estudio general realizado sobre circuitos rectificadores a su diseño e implementación, como también aplicar consideraciones teóricas y prácticas que permita ajustar y mejorar el circuito rectificador.

2.- Informe previo:

  • Características V/I de los diodos semiconductores.

  • Resistencia directa e inversa de los diodos semiconductores.

  • Resistencia dinámica.

  • Rectificadores de media onda y onda completa.

  • Circuitos recortadores serie paralelo.

  • Diseño final normalizado de cada uno de los circuitos a utilizar en el laboratorio.

MARCO TEÓRICO:

Un Semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo del campo eléctrico en el que se encuentre. El elemento semiconductor más usado es el silicio

Semiconductor tipo N

Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de cargas libres (en este caso, negativas). Cuando el material dopante es añadido, éste aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante ya que da algunos de sus electrones. El propósito del dopaje tipo N es el de producir abundancia de electrones portadores en el material.

Semiconductor tipo P

Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivo). Cuando el material dopante es añadido, éste libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos.

Las propiedades de los materiales semiconductores se conocían en 1874, cuando se observó la conducción en un sentido en cristales de sulfuro, durante la Segunda Guerra Mundial se desarrolló el primer dispositivo con las propiedades que hoy conocemos, el diodo de germanio.

El Diodo

Un DIODO es un dispositivo que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección Los Diodos son elementos no lineales porque no cumplen con la ley de Ohm. Cuando se explica el funcionamiento de el diodo se hace una analogía con una válvula on / off, porque en realidad el diodo al igual que esta válvula solo tienen dos estados, conduce o no conduce, y no es porque presente fallas, sino que sus características de funcionamiento son así. Es un elemento que tiene polaridad, o sea un lado negativo conocido como cátodo y un lado positivo conocido como ánodo. Para que un diodo conduzca se debe polarizar correctamente, esto es colocar la parte positiva con el positivo de la alimentación y la negativa con el negativo de la fuente. Esta característica de conducción es debido a que los diodos son componentes dopados, sus materiales de construcción se conocen como materiales P y materiales N. Esto es porque tienen impurezas que provocan que estén cargados negativa o positivamente. Cuando el diodo se polariza correctamente ocurre la siguiente secuencia:

P N Secuencia de conducción del diodo.

Cuando se polariza correctamente el diodo, las cargas positivas comienzan a entrar y a hacer presión sobre el polo positivo o capa P. En el centro del diodo se combinan los protones y los electrones, de esta manera se convierte en una región neutra, pero al existir una sobredosis de cargas positivas, entonces las negativas se ven en la obligación de pasar esta zona neutra y así comenzar a combinarse, con lo cual se establece una corriente y de esta manera un equilibrio, donde el diodo esta conduciendo. En el caso contrario, al entrar las cargas positivas en el polo negativo o capa N, los electrones no se ven obligados a pasar sobre la región neutra para combinarse, sino que se combinan de su lado, aumentando dicha zona neutra, y por lo tanto haciendo más grande la barrera a vencer, de esta forma es que el diodo no conduce.

En el siguiente recuadro se puede apreciar la polarización directa e inversa de un diodo.

POLARIZACIÓN

CIRCUITO

CARACTERÍSTICAS

DIRECTA

El ánodo se conecta al positivo de la batería  y el cátodo al negativo.

 

El diodo conduce con una caída de tensión
de 0,6 a 0,7V.
El valor de la resistencia interna seria muy bajo.

Se comporta como un interruptor cerrado

INVERSA

El ánodo se conecta al negativo y el cátodo  al positivo de la batería

 

El diodo no conduce y toda la tensión de la pila cae sobre el.
Puede existir una corriente de fuga del orden de µA.
El valor de la resistencia interna sería muy alto

Se comporta como un interruptor abierto.

Modelos matemáticos

El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor a William Bradford Shockley) que permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayoría de las aplicaciones. La ecuación que liga la intensidad de corriente y la diferencia de potencial es:

Donde:

  • I =corriente que atraviesa el diodo.

  • VD =Diferencia de tensión entre sus extremos.

  • IS =Corriente de saturación (aproximadamente 10 − 12A)

  • q =Carga del electrón cuyo valor es 1.6 * 10 − 19

  • T =Temperatura absoluta de la unión

  • k =Constante de Boltzmann (1,38x10 − 23J/Kº)

  • n =Coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo y que suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio).

  • VT = kT/q = T/11600 es la tensión debida a la temperatura, del orden de 26 mV a temperatura ambiente (300 K ó 27 ºC).

Rectificador

En electrónica, un rectificador es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente continua. Esto se realiza utilizando diodos rectificadores, ya sean semiconductores de estado sólido, válvulas al vacío o válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio. Dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna que emplean, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por tres fases. Atendiendo al tipo de rectificación, pueden ser de media onda, cuando solo se utiliza uno de los semiciclos de la corriente, o de onda completa, donde ambos semiciclos son aprovechados.

El tipo más básico de rectificador es el rectificador monofásico de media onda, constituido por un único diodo entre la fuente de alimentación alterna y la carga.

Curva característica del diodo

'Diodos semiconductores'

  • Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ).
    La tensión umbral (también llamada barrera de potencial) de polarización directa coincide en valor con la tensión 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. Sin embargo, cuando la tensión externa supera la tensión umbral, la barrera de potencial desaparece, de forma que para pequeños incrementos de tensión se producen grandes variaciones de la intensidad.

  • Corriente máxima (Imax).
    Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto Joule. Dado que es función de la cantidad de calor que puede disipar el diodo, depende sobre todo del diseño del mismo.

  • Corriente inversa de saturación (Is).
    Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica por cada incremento de 10º en la temperatura.

  • Corriente superficial de fugas.
    Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo (ver polarización inversa), esta corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial de fugas.

  • Tensión de ruptura (Vr).
    Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha.

Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente inversa de saturación; en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, en el diodo normal o de unión 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 polarización inversa se generan pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la tensión inversa es elevada los electrones se aceleran incrementando su energía cinética de forma que al chocar con electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de conducción. Estos electrones liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión, chocando con más electrones de valencia y liberándolos a su vez. El resultado es una avalancha de electrones que provoca una corriente grande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a 6 V.

  • Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material, menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E puede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d; cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el campo eléctrico será grande, del orden de 3·105 V/cm. En estas condiciones, el propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia incrementándose la corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V o menores.

Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos especiales, como los Zener, se puede producir por ambos efectos.

Resistencia Estática del Diodo.

La resistencia estática R de un diodo se define como la relación entre la tensión y la

corriente V/I. En un punto cualquiera de la característica tensión-corriente del diodo, la

resistencia R es igual a la inversa de la pendiente de la línea que une el punto de

funcionamiento con el origen. La resistencia estática varía extraordinariamente con V e I y

no es útil su empleo como parámetro.

Resistencia Dinámica del Diodo

La resistencia dinámica, o incremental r, la cual, es importante en el funcionamiento del

diodo para pequeña señal se define como el inverso de la pendiente de la curva

característica del diodo en un punto dado, cuando el diodo esta polarizado en directo.

La resistencia dinámica no es una constante. Se obtiene diferenciando la ecuación del

diodo, invirtiendo el resultado, y calculando rd en el punto de trabajo tal como sigue:

Es importante recordar que para los siguientes experimentos se trabajara con el DIODO “1N4007” y es de suma importancia saber las características técnicas de dicho material.

'Diodos semiconductores'


En el cuadro superior se describen las características eléctricas del diodo, y en el cuadro inferior se detalla las dimensiones del diodo según fabricante.3.- Trabajo de laboratorio:

  • Examine el diodo 1N4007. Identifique sus terminales y dibuje.

  • 'Diodos semiconductores'

    3.2 Conecte el circuito de la figura 1.1 y determine las características directas del diodo semiconductor (complete la tabla 1.1).

    Vcc (V)

    Vr (v)

    I (mA)

    Vd (v)

    V instrumento

    5

    4.3

    4.28

    0.65

    0.1

    7.16

    6.48

    6.39

    0.67

    0.1

    9.1

    8.34

    8.3

    0.68

    0.1

    12

    11.3

    11.3

    0.69

    0.1

    15

    14.2

    14.3

    0.7

    0.1

    20

    19.2

    19.5

    0.7

    0.1

    25

    24.1

    24.6

    0.7

    0.1

    30

    29.1

    29.9

    0.7

    0.1

    Tabla 1.1

    Figura 1.1

    Para realizar el circuito y completar la tabla 1.1 se utilizaron los siguientes elementos:

    - Una resistencia de 10KΩ

    - Una fuente de poder regulable Vcc.

    - Un diodo 1N4007

    Y los siguientes instrumentos:

    - Dos voltímetros y un amperímetro.

    La característica que pudimos notar al hacer la conexión directa del diodo es que comienza a conducir con aproximadamente 0,65 (V), luego, al ir aumentando el voltaje, el diodo llega a tener una caída de tensión de 0,7 (V) la que se mantiene al seguir aumentando el voltaje.

    3.3 Conecte el circuito de la figura 1.2 y determine las características inversas del diodo semiconductor (complete la tabla 1.2).

    Vcc (V)

    Vr (v)

    Vd (v)

    I (mA)

    5

    0

    5

    0

    7

    0

    7

    0

    9

    0

    9

    0

    12

    0

    12

    0

    15

    0

    15

    0

    20

    0

    20

    0

    25

    0

    25

    0

    30

    0

    30

    0

    Figura 1.2

    Para realizar el circuito y completar la tabla 1.1 se utilizaron los siguientes elementos:

    - Una resistencia de 10KΩ

    - Una fuente de poder regulable Vcc.

    - Un diodo 1N4007

    Y los siguientes instrumentos:

    - un voltímetro y un amperímetro.

    Al realizar este circuito comprobamos que el diodo al ser conectado de manera inversa se comporta como un interruptor abierto, por lo que no circula una corriente.3.4 Con los valores obtenidos en los puntos 3.2 y 3.3 grafique I = f (VD) y determine:

  • Resistencia directa del diodo semiconductor

  • 'Diodos semiconductores'

    b) Resistencia inversa del diodo semiconductor

    'Diodos semiconductores'

    3.5 Conecte el circuito de la figura 1.3 y determine las características dinámicas del diodo semiconductor. (Complete la tabla 1.3).

    'Diodos semiconductores'

    'Diodos semiconductores'

    Figura 1.3

    En la figura 1.3 se puede ver el diodo en funcionamiento con una fuente alterna la cual nos permite apreciar que al de igual forma que en una fuente continua comienza a conducir entre los 0.6 y 0.7 volt, cuando el diodo se conecta de forma directa de ánodo a cátodo este suprimirá la señal negativa de la fuente alterna. La señal suprimida se vera en 0 volt.

    De forma análoga cuando el diodo se conecta de forma indirecta de cátodo a ánodo este suprimirá la señal positiva de la fuente alterna. la señal suprimida se vera en 0 volt .

    'Diodos semiconductores'

    Para comenzar a calcular las corrientes del circuito se tiene como dato el voltaje máximo de la entrada el cual es: V max = 16.16 [V] , otro dato importante es la resistencia total del circuito (la resistencia directa del diodo se despreciara ya que no es mayor a un Ohm por lo tanto no incluirá en nuestros cálculos) la resistencia total del circuito es de R=1010 [Ω]

    3.6 Conecte el circuito de la figura 1.4 y determine:

  • Curva de regulación

  • Resistencia efectiva del circuito.

  • Resistencia efectiva del diodo.

  • Figura 1.4

    R

    Vo,m (V)

    Vo,dc (v)

    Io,dc (mA)

    50Ω

    16.9

    5.4

    101.22

    200Ω

    16.9

    5.4

    26.10

    500Ω

    16.9

    5.4

    10.50

    1KΩ

    16.9

    5.4

    5.28

    3KΩ

    16.9

    5.4

    1.78

    10KΩ

    16.9

    5.4

    0.52

    'Diodos semiconductores'

    En el circuito anterior se probaron distintas resistencias para un mismo voltaje de entrada.

    de esta forma se obtuvo la curva de regulación del diodo.

    Conclusión.

    Del siguiente informe se puede concluir lo siguiente:

    1-En esta experiencia se ha corroborado de manera práctica las aplicaciones teóricas que se explicaron del diodo. Como por ejemplo la polarización directa e inversa:

    a)-Polarización directa con fuente CC este se comporta como un hilo conductor con una resistencia despreciable.

    b) - Polarización indirecta con fuente CC este se comporta como “Switch Abierto” el que tiene una alta resistencia, por lo tanto no circula corriente.

    c) - Polarización directa con fuente CA este se comporta como un hilo conductor en la parte positiva de la señal alterna y como un circuito abierto en la señal negativa.

    d) - Polarización indirecta con fuente CA este se comporta como un circuito abierto en la parte positiva de la señal alterna y como un hilo conductor en la señal negativa.

    De esta manera se puede discriminar las señales de corriente alterna eligiendo trabajar con la parte negativa o positiva de la señal.

    -Otra característica es que comienza a conducir voltaje a los 0.6 volt de acuerdo con la mayoría de los fabricantes el diodo debería comenzara conducir a los 0.65 a 0.7 volt pero como no todo es perfectos estos tienen un rango de un 20% ya que van perdiendo sus propiedades con el tiempo.

    -El diodo proporciona una gran herramienta para transformar CA en CC y es su principal función, aunque para usos industriales el diodo ya no se utilizada en los circuitos de rectificación.

    Bibliografía.

    • -Apuntes de Cátedra de Electrónica.

    • -HTTP://electronred.iespana.es/diodo.htm “tipos de diodos” y “rectificadores”

    • -HTTP://www.ate.uniones.es “Electrónica y automatismo Universidad de Oviedo”

    • -HTTP://www.wikipedia.org/diodo “el diodo”

    • -Conocimientos pertinentes.

    Universidad Tecnológica Metropolitana

    Laboratorio Electrónica

    1

    Electrónica Vespertina 2008.

    Tabla 1.2

    Tabla 1.4

    UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA METROPOLITANA

    FACULTAD DE INGENIERIA

    ESCUELA DE ELECTRONICA

    INGENIERIA ELECTRONICA

    2000

    UTEM