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Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE

Física II para la Electrónica Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones Informe de Laboratorio #8 Semiconductores Diodos Integrantes: Altamirano Santiago Balseca Wladimir Nrc: 1739

Resumen En esta práctica nos explicaron la utilización y las propiedades que tienen los diodos en este caso los rectificadores cómo funcionan y que tienen un cierto rango de funcionamiento vamos a trabaja con solo dos diodos rectificadores en este caso de germanio y un diodo Zener. Para realizar la comprobación de esta teoría vamos a realizar una serie de obtención de resultados en los cuales se va a aplicar un circuito con resistencias y un diodo rectificador en dirección de conducción o de bloque en el cual vamos a comprobar la corriente ya la tensión. También vamos a realizar esta práctica con alimentai0n de voltajes negativos a ver que comportamiento presenta este circuito. Abstract

In practice we explained the use and properties have diodes in this case rectifiers how they work and have a certain range of operation will work with only two rectifier diodes in this case germanium and a Zener diode . To perform the verification of this theory we will perform a series of obtaining results which will apply a circuit with resistance and a rectifier diode driving direction or block in which we will check the current and voltage . We will also do this practice with negative voltages alimentai0n to see that behavior presents this circuit.

Marco Teórico. Diodo Componente electrónico que permite el paso de la corriente en un solo sentido. La flecha de la representación simbólica muestra la dirección en la que fluye la corriente.

Diodos tipos N-P Constan de la unión de dos tipos de material semiconductor, uno tipo N y otro tipo P, separados por una juntura llamada barrera o unión. Los diodos se fabrican en versiones de silicio (la más utilizada) y de germanio. Esta barrera o unión es de 0.3 voltios en el germanio y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio. El diodo se puede hacer funcionar de 2 maneras diferentes: Polarización directa. Cuando la corriente circula en sentido directo, es decir del ánodo A al cátodo K, siguiendo la ruta de la flecha (la del diodo). En este caso la corriente atraviesa el diodo con mucha facilidad comportándose prácticamente como un corto circuito. El diodo conduce.

GUIA PRACTICA N: 4.2 Tema: SEMICONDUCTORES DIODOS 1 Objetivos    

Conocer las propiedades de semiconductores. Explica el comportamiento de la unión P-N Característica de un diodo semiconductor, tanto en el sentido de conducción como en sentido de bloque. Estudio del diodo Zener

2 Materiales y Equipos.       

Tablero de circuitos eléctricos, Fuente de tensión DC Voltímetro DC Amperímetro DC Multímetro Resistencias fijas y variables. Diodo de Germanio y Zener

3 Procedimientos. 

Para determinar la característica de conducción del diodo utilice el siguiente circuito eléctrico en donde al diodo se lo aplica un tensión en sentido a la conducción.



Mantenga la resistencia de carga a su máximo valor y fije los instrumentos de medición en el tablero que contiene el circuito eléctrico.



Varié la tensión de entrada (Ue) en pasos de un voltio para determinar la caída de tensión de dirección del diodo (Ud), mida la tensión de corriente de entrada (Ie), la corriente directa que atraviesa el diodo (Id) y la tensión de salida (Us). Trabaje primero con el diodo de germanio, Zener



Para definir las características de bloque del diodo, conmute la polaridad del circuito y mida los parámetros físicos, mencionados anteriormente.



Los límites de tensión de entrada, tanto para la característica de conducción como del bloque, dependerán del tipo de diodo que utilice, para ello consulte las características respectivas.

Tabla de datos. DIODO GERMANIO Diodo de Germanio tensión de entrada Ue Corriente de entrada Ie Tensión del diodo Ud Corriente del diodo Id Tensión de salida Us Diodo de Germanio tensión de entrada Ue Corriente de entrada Ie Tensión del diodo Ud Corriente del diodo Id Tensión de salida Us

1 15[mA] 392 [mV] 0,5 [mA] 289 [mV]

-1 (-) 18[mA] (-)341 [mV] 0 (-)377 [mV]

2 32 [mV] 511 [mV] 3,2 [mA] 578 [mA]

CONDUCCION. 3 49 [mA] 618 [mV] 6,4 [mA] 818 [mV]

4 71[mA] 808 [mV] 24 [mA] 903[mV]

5 90 [mA] 890 [mV] 34 [mA] 1022 [mV]

BLOQUEO -2 -3 -4 -5 (-)30 [mV] (-) 47 [mA] (-)69[mA] (-)80 [mA] (-)628 [mV] (-)850 [mV] (-)1280[mV] (-)1593 [mV] 0 0 0 0 (-) 601 [mA] (-)930 [mV] (-)1260[mV] (-)1572 [mV]

DIODO ZENER Diodo de Zener tensión de entrada Ue Corriente de entrrada Ie Tensión del diodo Ud Corriente del dido Id Tensión de salida Us

1 15[mA] 300 [mV] 0,1 [mA] 328 [mV]

2 38 [mV] 522 [mV] 3,3 [mA] 587 [mA]

CONDUCCION. 3 49 [mA] 599 [mV] 8,3 [mA] 710 [mV]

4 71[mA] 693 [mV] 28 [mA] 814[mV]

5 90 [mA] 741 [mV] 42 [mA] 924 [mV]

Diodo de Zener BLOQUEO tensión de entrada Ue -1 -2 -3 -4 -5 Corriente de entrrada Ie (-) 18[mA] (-)30 [mV] (-) 49 [mA] (-)61[mA] (-)78 [mA] Tensión del diodo Ud (-)318 [mV] (-)550 [mV] (-)953 [mV] (-)1240[mV] (-)1500 [mV] Corriente del dido Id 0 0 0 0 0 Tensión de salida Us (-)320 [mV] (-) 519 [mA] (-)928 [mV] (-)1240[mV] (-)1580 [mV]

Construya en un mismo gráfico las curvas característica de conducción y bloqueo tanto del diodo de germanio, zener. Gráfica Corriente [mA]/alimentación [V]

1) 2) 3) 4)

Regresión para conducción diodo Zener Regresión para bloqueo diodo Zener con alimentación negativa. Regresión para conducción diodo de Germanio Regresión para bloqueo diodo de Germanio con alimentación negativa.

Como podemos observar los valores de corriente que da respectico al voltaje de alimentación. Análisis. Regresión estadística para conducción del diodo Zener realizado en Excel. Y=18,3(x)-2,3 [mA] Regresión estadística para Bloqueo del diodo Zener realizado en Excel. Y=15,1(-x)-1,9 [mA] Regresión estadística para conducción del diodo de Germanio realizado en Excel. Y=18,9(x)-5,3 [mA] Regresión estadística para Bloqueo del diodo de Germanio realizado en Excel. Y=16,3(-x)+0,1 [mA] Realice en un mismo gráfico: Tensión de salida – Tensión de entrada para cada diodo, tanto en sentido de conducción como en el de bloqueo. Anote las observaciones realizadas.

Tension de salida/Tension de entrada 1500 1000 500 0 -500 -1000 -1500 -2000

1

2

3

4

5

Series1

289

578

818

903

1022

Series2

328

587

790

814

924

Series4

-1

-2

-3

-4

-5

Series5

-377

-601

-930

-1260

-1572

Series6

-320

-519

-928

-1240

-1580

ANÁLSIS: INDIVIDUAL. Diodo de Germanio formula de Regresión cuadrática Serie 1) Grafica de T salida/entrada diodo de germanio en conducción. Serie 5) Grafica de T salida/entrada diodo de germanio en bloqueo. 60 y = 0.0051x2 - 0.0649x - 0.0775 R² = 0.9793

40 20

Series1 Series2

0 0

20

40

60

80

100

-20

Series3 y = 0 R² = #N/A Poly. (Series1)

-40

Poly. (Series2)

-60 -80 -100

Diodo Zener Serie 2) Grafica de T salida/entrada diodo Zener en conducción. Serie 6)

Poly. (Series3) y = 0.0011x2 - 0.9791x - 2.1731 R² = 0.9933

Grafica de T salida/entrada diodo Zener en bloqueo. 60

y = 0.0069x2 - 0.1386x - 0.1734 R² = 0.9878

40 20

Series1 Series2

0 0

20

40

60

80

100

-20

y=0 Series3 R² = #N/A Poly. (Series1)

-40

Linear (Series2) Poly. (Series3)

-60 -80

y = -0.8817x - 2.4238 R² = 0.9771

-100

Grafique en un mismo gráfico: Corriente del diodo Corriente de entrada, considere el sentido de la conducción como bloque, para cada diodo.

Corriente del diodo /corriente de entrada y = 1E-05x3.4554 R² = 0.9924

60 50

Series1 Series2

40

Power (Series1) 30

Power (Series2)

20

y = 0.0008x2.3766 R² = 0.9905

10 0 0

20

40

60

80

100

ANÁLISIS: Serie 1) Conducción diodo Zener: para el análisis de esta curva usa una regresión potencia para describir la curva que toma. 3,4554

y = 1E-05x R² = 0,9924

Como podemos observar para el diodo Zener en la práctica lo colocamos en bloqueo la corriente que circula por el diodo es 0. Serie 2) Conducción diodo de Germanio para el análisis de esta curva usa una regresión potencia para describir la curva que toma. y = 0,0008x2,3766 R² = 0,9905 Como podemos observar para el diodo de Germanio en la práctica lo colocamos en bloqueo la corriente que circula por el diodo es 0.

Realice una curva de conducción y bloqueo con la ecuación con la ecuación: Conducción diodo Zener 𝐼𝑑 = −𝐼𝑜 (𝑒

𝑒∗𝑈𝑑 𝑘∗𝑡

− 1)

Id= Corriente del diodo. Io=corriente de saturación equivalente a la corriente inversa e=carga del electrón K= constante de Boltzman T= temperatura condiciones normales Kelvin Conducción diodo Zener

1) 𝐼𝑑 = −0,0001 (𝑒

(−1,603∗10−19 ∗0,320 1.38∗10−31 ∗273

− 1)

𝐼𝑑 = 0,0001 [𝐴] 2) 𝐼𝑑 = −0,0033 (𝑒

(−1,603∗10−19 ∗0,511 1.38∗10−31 ∗273

− 1)

𝐼𝑑 = 0,0033 [𝐴] 3)𝐼𝑑 =

(−1,603∗10−19 ∗0,599 −0,0083 (𝑒 1.38∗10−31 ∗273

𝐼𝑑 = 0,0083 [𝐴]

− 1)

4) 𝐼𝑑 =

(−1,603∗10−19 ∗0,693 −0,028 (𝑒 1.38∗10−31 ∗273

− 1)

𝐼𝑑 = 0,028 [𝐴] 5) 𝐼𝑑 = −0,042 (𝑒

(−1,603∗10−19 ∗0,744 1.38∗10−31 ∗273

− 1)

𝐼𝑑 = 0,042 [𝐴] Bloqueo 𝐼𝑑 = −𝐼𝑜 (𝑒 1) 𝐼𝑑 = −0 (𝑒

𝑒∗𝑈𝑑 𝑘∗𝑡

− 1)

(−1,603∗10−19 ∗0,320 1.38∗10−31 ∗273

− 1)

𝐼𝑑 = 0,0001 [𝐴] 2) 𝐼𝑑 = −0 (𝑒

(−1,603∗10−19 ∗0,511 1.38∗10−31 ∗273

− 1)

𝐼𝑑 = 0 [𝐴] 3)𝐼𝑑 = −0 (𝑒

(−1,603∗10−19 ∗0,599 1.38∗10−31 ∗273

− 1)

𝐼𝑑 = 0, [𝐴] 4) 𝐼𝑑 = −0 (𝑒

(−1,603∗10−19 ∗0,693 1.38∗10−31 ∗273

− 1)

𝐼𝑑 = 0 [𝐴] 5)𝐼𝑑 =

(−1,603∗10−19 ∗0,744 −0 (𝑒 1.38∗10−31 ∗273

− 1)

𝐼𝑑 = 0 [𝐴] Conducción diodo de Germanio 𝐼𝑑 = −𝐼𝑜 (𝑒 1)𝐼𝑑 = −0,0005 (𝑒

𝑒∗𝑈𝑑 𝑘∗𝑡

− 1)

(−1,603∗10−19 ∗0,392 1.38∗10−31 ∗273

− 1)

𝐼𝑑 = 0,0005 [𝐴] 2) 𝐼𝑑 = −0,0032 (𝑒

(−1,603∗10−19 ∗0,511 1.38∗10−31 ∗273

𝐼𝑑 = 0,0032 [𝐴]

− 1)

3)𝐼𝑑 = −0,0064 (𝑒

(−1,603∗10−19 ∗0,618 1.38∗10−31 ∗273

− 1)

𝐼𝑑 = 0,0064 [𝐴] 4) 𝐼𝑑 = −0,024 (𝑒

(−1,603∗10−19 ∗0,808 1.38∗10−31 ∗273

− 1)

𝐼𝑑 = 0,024 [𝐴] 5) 𝐼𝑑 =

(−1,603∗10−19 ∗0,890 −0,034 (𝑒 1.38∗10−31 ∗273

− 1)

𝐼𝑑 = 0,034 [𝐴] Bloqueo 𝐼𝑑 = −𝐼𝑜 (𝑒 1)𝐼𝑑 = −0 (𝑒

𝑒∗𝑈𝑑 𝑘∗𝑡

− 1)

(−1,603∗10−19 ∗0,392 1.38∗10−31 ∗273

− 1)

𝐼𝑑 = 0 [𝐴] 2) 𝐼𝑑 = −0 (𝑒

(−1,603∗10−19 ∗0,511 1.38∗10−31 ∗273

− 1)

𝐼𝑑 = 0 [𝐴] 3)𝐼𝑑 =

(−1,603∗10−19 ∗0,618 −0,0064 (𝑒 1.38∗10−31 ∗273

− 1)

𝐼𝑑 = 0[𝐴] 4) 𝐼𝑑 =

(−1,603∗10−19 ∗0,808 −0,024 (𝑒 1.38∗10−31 ∗273

− 1)

𝐼𝑑 = 0 [𝐴] 5) 𝐼𝑑 =

(−1,603∗10−19 ∗0,890 −0,034 (𝑒 1.38∗10−31 ∗273

𝐼𝑑 = 0 [𝐴]

− 1)

Explique con argumento de temperatura de la unión P-N modificaría los gráficos anteriores. En el aumento de temperatura obviamente va cambiar las características de los diodos y las gráficas van aumentar respecto a los resultados obtenidos por los mismos.

Cuáles son los parámetros más comunes para identificar a los diodos a los que usted utilizado. Expliqué en que consiste Cree que se ha rebasado los límites técnicos.

Parámetros en bloqueo     

Tensión inversa de pico de trabajo (VRWM): es la que puede ser soportada por el dispositivo de forma continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha. Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM): es la que puede ser soportada en picos de 1 ms, repetidos cada 10 ms de forma continuada. Tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM): es aquella que puede ser soportada una sola vez durante 10ms cada 10 minutos o más. Tensión de ruptura (VBR): si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 ms el diodo puede destruirse o degradar las características del mismo. Tensión inversa contínua (VR): es la tensión continua que soporta el diodo en estado de bloqueo.

Parámetros en conducción  

 

Intensidad media nominal (IF(AV)): es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos sinusuidales de 180º que el diodo puede soportar. Intensidad de pico repetitivo (IFRM): es aquella que puede ser soportada cada 20 ms , con una duración de pico a 1 ms, a una determinada temperatura de la cápsula (normalmente 25º). Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM): es el máximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, con una duración de 10 ms. Intensidad directa (IF): es la corriente que circula por el diodo cuando se encuentra en el estado de conducción.

Diodo Zener

Recordaremos que, en polarización inversa y alcanzada esta zona, a pequeños aumentos de tensión corresponden grandes aumentos de corriente. Este componente es capaz de trabajar en dicha región cuando las condiciones de polarización lo determinen y una vez hayan desaparecido éstas, recupera sus propiedades como diodo normal, no llegando por este fenómeno a su destrucción salvo que se alcance la corriente máxima de zener Imáx indicada por el fabricante. Lógicamente la geometría de construcción es diferente al resto de los diodos, estribando su principal diferencia en la delgadez de la zona de unión entre los materiales tipo P y tipo N, así como de la densidad de dopado de los cristales básicos. Sus parámetros principales son:

Diodo de Germanio. Parámetros para usar. Los diodos de germanio se utilizan mejor en circuitos eléctricos de baja potencia. Las polarizaciones de voltaje más bajas resulta en pérdidas de potencia más pequeñas, lo que permite que el circuito sea más eficiente eléctricamente. Los diodos de germanio también son apropiados para circuitos de precisión, en donde las fluctuaciones de tensión debe mantenerse a un mínimo. Sin embargo, los diodos de germanio se dañan más fácilmente que los diodos de silicio. Cree que se han basado en limites técnicos. Según mi criterio podemos observar que la utilización de los diodos en la práctica pasada fue la correcta. Analice la resistencia del diodo en conducción y en bloqueo

La resistencia en conducción tiende a cero seria como un cortocircuito el cual podemos observar ya que circula la corriente por el mismo. Como podemos observar en la figura a). La resistencia en bloqueo se comporta como circuito abierto esto quiere decir que no circula la corriente por el elemento. Como podemos observar en la figura b)

En qué se diferencia los electrones libres a los de valencia. Como participan entre ellos en los semiconductores para efecto de continuidad. En su orbital externo incompleto con sólo cuatro electrones, denominados electrones de valencia. Estos átomos forman una red cristalina, en la que cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia con los cuatro átomos vecinos, formando enlaces covalentes. A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a estos electrones, que han roto el enlace covalente, se les somete al potencial eléctrico de una pila, se dirigen al polo positivo. Término hueco como si fuese una partícula autónoma y se mueven en dirección de la intensidad del campo eléctrico. ¿Realmente existen? ¿Cómo se explica? Un hueco de electrón, o simplemente hueco, es la ausencia de un electrón en la valencia. Tal banda de valencia estaría normalmente completa sin el "hueco". Una banda de valencia completa (o casi completa) es característica de los aislantes y de los semiconductores. La noción de "hueco" en este caso es esencialmente un modo sencillo y útil para analizar el movimiento de un gran número de electrones, considerando ex profeso a esta ausencia o hueco de electrones como si fuera una partícula elemental o más exactamente- una cuasi partícula. Considerado lo anterior, el hueco de electrón es, junto al electrón, entendido como uno de los portadores de carga que contribuyen al paso de corriente eléctrica en los semiconductores. El hueco de electrón tiene valores absolutos de la misma carga que el electrón pero, contrariamente al electrón, su carga es positiva. La recombinación es un proceso opuesto a la formación de pares como tal no contribuye a la conductividad sin embargo en un proceso importante en los semiconductores. ¿Por qué? Es importante porque si un electrón atraviesa la zona en la que se encuentra el hueco puede quedar atrapado en él. A este fenómeno se le denomina recombinación, y supone la desaparición de un electrón y de un hueco. Sin embargo, como en el caso anterior, el material mantiene su neutralidad eléctrica. ¿Cómo intervienen los niveles de Fermi para explicar la conductividad de los semiconductores? El nivel de Fermi juega un papel importante en la teoría de bandas de sólidos. En los semiconductores dopados de tipo p y tipo n, el nivel de Fermi se desplaza por las impurezas, según lo ilustran bandas prohibidas. El nivel de Fermi se conoce en otros contextos como el potencial químico de electrones. En los metales, el nivel de Fermi proporciona información sobre las velocidades de los electrones que participan en la conducción eléctrica ordinaria. La cantidad de energía que se puede dar a un electrón en tales procesos de conducción, son del orden de micro electrón-voltios (ver ejemplo de conductor de cobre), de modo que solamente pueden

participar aquellos electrones muy próximos a la energía de Fermi. La velocidad Fermi de estos electrones de conducción, se puede calcular por la energía de Fermi. 2𝐸𝐹 𝑉𝐹 = √ 𝑚 Esta velocidad es parte de la ley de Ohm microscópica para la conducción eléctrica. Para un metal, la densidad de electrones de conducción puede deducirse de la energía de Fermi.

Usted habrá observado que el diodo Zener tiene características particulares que la diferencian del diodo común. ¿Cuáles son? Podrá ser estas propiedades útiles para estabilizar una fuente de tensión. ¿Cómo? Los diodos zener son diodos que están diseñados para mantener un voltaje constante en sus terminales, llamado Voltaje o Tensión Zener (Vz) cuando se polarizan inversamente, es decir cuando está el cátodo con una tensión positiva y el ánodo negativa. El diodo zener viene caracterizado por: 1. Tensión Zener Vz. 2. Rango de tolerancia de Vz. (Tolerancia: C: ±5%) 3. Máxima corriente Zener en polarización inversa Iz. 4. Máxima potencia disipada. 5. Máxima temperatura de operación del zener. Aplicación: Una de las aplicaciones más usuales de los diodos zener es su utilización como reguladores de tensión.

Conclusiones. Como podemos observar la utilización de los semiconductores tiene una gran factibilidad en toda forma, su forma de uso puede ser de conductividad y de bloqueo. Al momento de colocar en conducción se comporta como cortocircuito esto quiere decir que circula normalmente la corriente, pero al ponerle en bloque se comporta como circuito abierto es decir no circula la corriente, también vimos tres tipos diferente de diodos y cada uno tiene sus características, según las características de cada uno debemos ver podemos utilizarlos o no.

Bibliografía:

https://es.wikipedia.org/wiki/Hueco_de_electr%C3%B3n www.info-ab.uclm.es/.../teoria%20de%20los%20semiconductores.html http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/solids/fermi.html http://www.uv.es/candid/docencia/ed_prac04.pdf http://www.areatecnologia.com/electronica/diodo-zener.html http://www.monografias.com/trabajos96/diodo-zener-resumen/diodo-zenerresumen.shtml#ixzz4GgARlo4R