• Author / Uploaded
• Luis Angel

Citation preview

lOMoARcPSD|5182633

APELLIDOS Y NOMBRES

MATRICULA

 LUIS ANGEL GONZALES POMA

 18190304

CURSO

TEMA

LABORATORIO DE DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

El Diodo Rectificador

INFORME

FECHAS

NOTA

FINAL

REALIZACIÓN

ENTREGA

NUMERO

30 de julio del 2020

31 de julio del 2020

3 GRUPO

PROFESOR

L-21 viernes de 4 pm – 6 pm

ING. LUIS PARETTO QUISPE

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA

E.A.P. de Ingeniería Electrónica

EXPERIMENTO DE LABORATORIO N°3 I.

TEMA: CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL DIODO GERMANIO).

SEMICONDUCTOR (SILICIO Y

lOMoARcPSD|5182633

II.

OBJETIVOS: 1. Utilizar las características de operación de los diodos semiconductores.

III.

INTRODUCCION TEORÍCA:

DIODO Un diodo es un dispositivo que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección. De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones, por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con muy pequeña resistencia eléctrica. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de convertir una corriente alterna en corriente continua. DIODO PN O UNIÓN PN: Los diodos “pn” son uniones de dos materiales semiconductores extrínsecos tipos p y n, por lo que también reciben la denominación de unión “pn”. Hay que destacar que ninguno de los dos cristales por separado tiene carga eléctrica, ya que, en cada cristal, el número de electrones y protones es el mismo, de lo que podemos decir que los dos cristales, tanto el p como el n, son neutros. (Su carga neta es 0). Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p (Je).



Formación de la zona de carga espacial:

Al establecerse estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe diferentes denominaciones como zona de carga espacial, de agotamiento, de vaciado, etc. A medida que progresa el proceso de difusión, la zona de carga espacial va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos. Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (V0) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V si los cristales son de germanio. La anchura de la zona de carga espacial una vez alcanzado el equilibrio, suele ser del orden de 0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor. Al dispositivo así obtenido se le denomina diodo, que en un caso como el descrito, tal que no se encuentra sometido a una diferencia de potencial externa, se dice que no está polarizado. Al extremo p, se le denomina ánodo, representándose por la letra A, mientras que la zona n, el cátodo, se representa por la letra C.

lOMoARcPSD|5182633

A (p)

C (n)

Representación simbólica del diodo “pn”

Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa.  POLARIZACIÓN DIRECTA: En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad. Para que un diodo esté polarizado directamente, tenemos que conectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos observar que: El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n. El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n. Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n. Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería. De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final.

 POLARIZACIÓN INVERSA: En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación: El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de valencia) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos. El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos

lOMoARcPSD|5182633

trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos.Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería. En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μA) denominada corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que, en la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fugas es despreciable. 

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

lOMoARcPSD|5182633

Otros Tipos de Diodos

 Diodo Rectificador  Diodo Zener  Diodo Varactor  Diodo emisor de luz  Diodo laser  Diodo estabilizador  Diodo Tunel  Diodo Pin  Diodo Backward  Diodo Scottky  Fotodiodos

lOMoARcPSD|5182633

IV.

MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR

V.

1. Una Fuente de Corriente Continua Variable.

2. Un Multímetro digital.

Marca: Fluke Nº de serie: 64680428

3. Un Miliamperímetro y un Micro amperímetro. Marca: Yokogawa Modelo: 510B Sensibilidad: 0.1 Ω /V

Marca: Yokogawa Modelo: 500B Sensibilidad: (1/15) Ω /V

4. Un Diodo Semiconductor de Si y uno de Ge. Diodo de silicio Diodo de germanio 5. Un Voltímetro de c.c.

lOMoARcPSD|5182633

Marca: Yokogawa Modelo: 2011 Nº de serie: 84AA2174 Sensibilidad: 1000 Ω /V 6. Resistencia de 100 Ω. 7. Cables y conectores. (cocodrilo/banano)

VI.

PROCEDIMIENTO: 1. Usando el OhmÍmetro, medir las resistencias directa e inversa del diodo.Registrar los datos en la tabla 1. 2. Armar el circuito de la figura 1. a. Ajustando el voltaje con el potenciómetro, observar y medir la corriente yel voltaje directo del diodo, registrar sus datos en la tabla 2. (usar miliamperímetro) b. Invertir el diodo verificando al mismo tiempo la polaridad de losinstrumentos, proceder como en a), registrando los datos en al tabla 3. (usar micro amperímetro) 3. Usando el ohmímetro, medir las resistencias directa e inversa del diodo de Germanio. Registrar los datos en la tabla 4. 4. Repetir el circuito de la figura 1 para el diodo de Germanio, de manera

VII.

DATOS OBTENIDOS: TABLA 1(Si) R directa(Ω)

R inversa(Ω)

659 Ω

Vcc(V. )

0.51v

Id(mA. ) Vd(v.)

Vcc(V.)

>20M Ω

TABLA 2: 0.8v 0.91 v

0.58 v

0.6v

0.69 v

0.1 mA

0.2 mA

0.4 mA

0.8 mA

1.6 mA

0.5v

0.53 v

0.56 v

0.59 v

0.63 v

0.0v

2.0v

4.0v

1.18 v

1.5v

1.72 v

1.92 v

2.2v

2.72 v

2.5 mA

5.0 mA

8.0 mA

10.0 mA

12.0 mA

15.0 mA

20.0 mA

0.65 v

0.68 v

0.70 v

0.71 v

0.72 v

0.73 v

0.74 v

TABLA 3: 6.0v 8.0v

10.0v

12.0v

15.0v

20.0v

lOMoARcPSD|5182633

Vd(V.) Id( μ A.)

0v

1.98v

3.96v

5.93v

7.94v

9.98v

11.86 v

1484v

17.88 v

0μA

0 μA

0 μA

0 μA

0 μA

0 μA

0 μA

0 μA

0 μA

TABLA 4 (Ge) R directa (Ω) R inversa(Ω) 0.278 Ω Vcc(V. )

0.22 v

0.26 v

0.30 v

0.34 v

Id(mA. )

0.1 mA

0.2 mA

0.4 mA

0.8

Vd(v.)

0.21 v

0.24 v

0.25 v

TABLA 5: 0.44 v 0.56 v 0.84 v

1.58 v

1.9v

2.4v

5.0 mA

8.0 mA

10.0 mA

12.0 mA

15.0 mA

20.0 mA

0.2v

0.30 v

0.33 v

0.36 v

0.37 v

0.38 v

0.39 v

0.42 v

Vcc(V.)

0.0 v

1.0v

2.0v

4.0v

Vd(V.)

0.0 v

0.93 v

1.96 v

3.88 v

5.98 v

0 μA

0 μA

0 μA

0 μA

0 μA

VIII.

1.37 v

2.5 mA

TABLA 6: 6.0v 8.0v

Id( μ A.)

1.16 v

1.6 mA

mA 0.27 v

>200M Ω

10.0 v

12.0 v

15.0 v

18.0 v

20.0 v

7.92 v

9.9v 1

11.89 v

14.84 v

17.80 v

19.8 v

0 μA

0 μA

0 μA

0 μA

0 μA

0 μA

CUESTIONARIO FINAL 1. Construir el grafico Id = f (Vd) con los datos de las tablas 2 y 3. (Si.) Calcular la resistencia dinámica del diodo.(Usar papel milimetrado)

V dn− V d (n− 1) r dn= I dn− I d (n− 1) Calculando la resistencia dinámica: Vcc(V. )

0.51v

Id(mA. ) Vd(v.)

TABLA 2 0.8v 0.91 v

0.58 v

0.6v

0.69 v

0.1 mA

0.2 mA

0.4 mA

0.8 mA

1.6 mA

0.5v

0.53 v

0.56 v

0.59 v

0.63 v

Primer caso:

0.74 0.72 r rdn=rdn=

1.18 v

1.5v

1.72 v

1.92 v

2.2v

2.72 v

2.5 mA

5.0 mA

8.0 mA

10.0 mA

12.0 mA

15.0 mA

20.0 mA

0.65 v

0.68 v

0.70 v

0.71 v

0.72 v

0.73 v

0.74 v

Tercer caso:

dn

=0.7

Quinto caso:

lOMoARcPSD|5182633

rdn=2mΩ

rdn=5mΩ

Segundo caso:

Cuarto caso:

0.73

rdn=6.66mΩ

0.71

Sexto caso:

rdn=0.68

rdn=3.33mΩ rdn=5mΩ rdn=12mΩ Séptimo caso:

rdn=rdn=

rdn=50mΩ

rdn=

0.560.4 0.65 Noveno caso: rdn= 2.5 rdn=12

rdn=150mΩ Undécimo

mΩ 0.59 rdn=

Octavo caso:

caso:

0.8 0.63 rdn=75mΩ rdn=0.530.2−−0.10.5 rdn= 1.6 Décimo caso:

rdn=300mΩ

Vcc(V.)

0.0v

2.0v

4.0v

6.0v

8.0v

10.0v

12.0v

15.0v

20.0v

Vd(V.)

0v

1.98v

3.96v

5.93v

7.94v

9.98v

11.86 v

1484v

17.88 v

0μA

0 μA

0 μA

0 μA

0 μA

0 μA

0 μA

0 μA

0 μA

Id( μ A.)

Segundo caso: Primer caso: dn

rdn≃∞ Ω

Tercer caso:

lOMoARcPSD|5182633

rdn rdn=

r ≃∞ Ω Sexto caso:

rdn 5.93 dn

rdn≃∞ Ω

Cuarto caso:

r

r ≃∞ Ω

dn

=

9.98 rdn=Séptimo caso: 3.96

rdn≃∞ Ω

rdn=

rdn≃∞ Ω Octavo caso: Quinto caso:

1.98 r 7.94

dn

= rdn=

rdn≃∞ Ω rdn≃∞ Ω

2. Construir el grafico Id = f (Vd) con los datos de las tablas 5 y 6. (Ge.) Calcular la resistencia dinámica del diodo. (Usar papel milimetrado)

r dn=

V dn− V d (n− 1) I dn− I d (n− 1)

Calculando la resistencia dinámica: Vcc(V. )

0.22 v

0.26 v

0.30 v

0.34 v

TABLA 5: 0.44 v 0.56 v 0.84 v

1.16 v

1.37 v

1.58 v

1.9v

2.4v

lOMoARcPSD|5182633

Id(mA. )

0.1 mA

0.2 mA

0.4 mA

Vd(v.)

0.21 v

0.24 v

0.25 v

Primer caso:

0.8 mA 0.27 v

1.6 mA

2.5 mA

5.0 mA

8.0 mA

10.0 mA

12.0 mA

15.0 mA

20.0 mA

0.2v

0.30 v

0.33 v

0.36 v

0.37 v

0.38 v

0.39 v

0.42 v

Segundo caso:

lOMoARcPSD|5182633

r

dn =

0.42

rd =0.006Ω 0.39 =0.0033Ω

n

Tercer caso:

r

dn =

Cuarto caso: 0.38

=0.005Ω 0.37 =0.005Ω

rdn =

Quinto caso:

r

dn =

=

Sexto caso: 0.36

rd =0.01Ω 0.33 =0.01Ω

n

=

Séptimo caso:

r

Octavo Caso dn =

2.5

0.3

0.011Ω

rdn =

lOMoARcPSD|5182633

0.29 =0.025Ω

rd n

1.6 Noveno caso:

r

dn =

Décimo caso:

0.27

=0.05Ω 0.8 0.25 =0.05Ω 0.4 Onceavo caso:

r

dn

=

0.24−0.21=0.3Ω 0.2−0.1

=

lOMoARcPSD|5182633

TABLA 6: 0.0 Vcc(V.)

1.0v

2.0v

4.0v

10.0

12.0

15.0

18.0

v

v

v

v

20.0

6.0v 8.0v

v 0.0

0.93

1.96

3.88

5.98

7.92

9.9v

11.89

14.84

17.80

v

v

v

v

v

v

1

v

v

v

0 μA

0 μA

0 μA

0 μA

0 μA

0 μA

0 μA

0 μA

v 19.8

Vd(V.)

μ

Id( A.)

μA

0

0 μA

v

0 μA

Observación😊 Notamos que todos los Id = 0 entonces en cada caso Idn - Id(n-1)= 0-0= 0 entonces para cada caso que tomemos la resistencia dinámica del diodo es igual a ∞Ω. 3. Interpretar los datos obtenidos en las tablas. Para ambos casos (diodo de silicio y diodo de germanio) se dan dos situaciones cuando se encuentran polarizados directamente e inversamente. •

Cuando se encuentran polarizados inversamente la resistencia dinámica es grande por lo que se comportara como un circuito abierto impidiendo el paso de la corriente.

•

Cuando se encuentran polarizados directamente la resistencia dinámica es pequeña por lo que se comportara como un circuito cerrado dejando que fluya la corriente.

4. Explicar los controles de operación de la fuente DC utilizada. Controles de la fuente DC: 1. Controles para Voltaje: La sección de control del regulador de voltaje consta de un amplificador de error con el voltaje de referencia (igual a la salida deseada) en una entrada y una salida desde un divisor de voltaje en el otro. El divisor de voltaje se alimenta de un rastro de retroalimentación de la salida. La salida del amplificador de error proporciona el voltaje de control (VC o "voltaje de error") que constituye una entrada al comparador PWM. El ciclo de trabajo de la señal PWM es proporcional al voltaje de control y determina el porcentaje de tiempo durante el cual el elemento de conmutación conduce y por ende, a su vez, el voltaje de salida -

Control grueso: Sirve para aumentar o disminuir la cantidad de voltaje de salida de la fuente de poder en una mayor escala que la del control fino. Tiene un rango de variación de 0 a 30 V Control fino: Sirve para aumentar o disminuir la cantidad de voltaje de salida de la fuente de poder en una escala pequeña, que permite ajustar

lOMoARcPSD|5182633

valores más exactos de voltaje que no se pueden obtener con el control grueso.

2. Controles para Corriente: El control en modo de corriente aborda la respuesta lenta del control en modo de voltaje debido a que el inductor de corriente se eleva con una pendiente determinada por la diferencia entre los voltajes de entrada y salida y, por lo tanto, responde inmediatamente a los cambios de voltaje en línea o de carga. Una ventaja adicional es que el control en modo de corriente elimina el inconveniente de la variación de ganancia de bucle con voltaje del método de control en modo de voltaje.

lOMoARcPSD|5182633

VIII.

CONCLUSIONES: 



Para realizar estos circuitos siempre debe de quedar muy claro que siempre se va a trabajar con diodos reales así que no siempre se debe esperar los resultados teóricos. Tal como se esperaba, los diodos actuaron tal como lo aprendido teóricamente: Conduciendo en polarización directa y abriendo el circuito en polarización inversa.



Un diodo impedirá la conducción de corriente cuando se encuentre polarizado inversamente. Se comportará como un circuito abierto.



Un diodo permitirá la conducción de corriente cuando se encuentra polarizado directamente. Se comportará como un circuito cerrado.

lOMoARcPSD|5182633

lOMoARcPSD|5182633

IX.

BIBLIOGRAFÍA:  Guía para mediciones electrónicas y prácticas de laboratorio. Stanley Wolf y Richard Smith.  http://www.unicrom.com  Millman J., Halkias Ch.C. Dispositivos y Circuitos Electrónicos. 5ta edición. Mc. Graw Hill, 1983.  http://es.wikipedi a.org  Lob U. Funcionamiento del diodo semiconductor ep 14. Marcombo Boixareu Editores, 1987.  Boylestad R., Nashelky L. Electrónica teoría de Circuitos, Prentice Hall int.1992.

lOMoARcPSD|5182633