LABORATORIO DE DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL DIODO SEMICONDUCTOR(SILICIO Y GERMANIO)

I. OBJETIVOS

Utilizar las características de operación de los diodos semiconductores.

II. INTRODUCCIÓN TEÓRCA

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.

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.

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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.

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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, ver semiconductor y átomo) 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 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.

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En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco (ver semiconductor) 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.

OTROS TIPOS DE DIODOS SEMICONDUCTORES:

Diodo avalancha Fotodiodo Diodo Gunn Diodo láser Diodo LED Diodo p-i-n Diodo Schottky Diodo Shockley (diodo de cuatro capas) Diodo túnel Diodo Varactor Diodo Zener

III. MATERIAL Y EQUIPO:

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Un Multímetro digital.

Multímetro Digital:Marca: Fluke

Nº de serie: 64680428

Un Miliamperímetro y un Micro amperímetro

Una Fuente de Corriente Continua Variable

Un Voltímetro de c.c.

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Cables y conectores.

Resistencia de 100 Ω.

Un Diodo Semiconductor de Si y uno de Ge

Diodo de silicio. Diodo de germanio

IV. PROCEDIMIENTO:

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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 y el voltaje directo del diodo, registrar sus datos en la tabla 2.

b. Invertir el diodo verificando al mismo tiempo la polaridad de los instrumentos, proceder como en a), registrando los datos en al tabal 3.

DATO DEL SILICIO

TABLA 1:

R directa(Ω) R inversa(Ω)577 Ω ≥ 60M Ω

TABLA 2:

Vcc(V.) 0.423 0.495 0.537 0.612 0.735 0.856 1.159 1.473 1.695 1.894 2.213 2.751Id(mA.) 0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 2.5 5.0 8.0 10.0 12.0 15.0 20.0Vd(v.) 0.414 0.449 0.479 0.508 0.541 0.562 0.594 0.616 0.626 0.634 0.644 0.657

TABLA 3:

Vcc(V.) 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 15.0 20.0

Vd(V.) 0.003 1.948 3.914 5.873 7.870 9.770 11.75 14.71 19.64

Id(μ A.) 0 0 0 0 0 0 0 0 0

El Silicio no conduce.

3. Usando el ohmímetro, medir las resistencias directa e inversa del diodo de

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Germanio. Registrar los datos en la tabla 4.

4. Repetir el circuito de la figura 1 para el diodo de Germanio, de manera similar al paso 2, proceder a llenar las tablas 5 y 6.

DATOS DEL GERMANIO

TABLA 4:

R directa (Ω) R inversa(MΩ)243 Ω 0.075 M Ω

TABLA 5:

Vcc(V.) 0.189 0.23 0.279 0.338 0.459 0.575 0.884 1.29 1.43 1.65 1.97 2.52Id(mA.) 0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 2.5 5.0 8.0 10.0 12.0 15.0 20.0Vd(v.) 0.163 0.190 0.211 0.239 0.269 0.292 0.334 0.366 0.384 0.398 0.417 0.444

TABLA 6:

Vcc(V.) 0.0 1.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 15.0 18.0 20.0

Vd(V.) 0.002 0.973 1.963 3.919 5.894 7.87 9.81 11.78 14.69 17.63 19.52

Id(μ A.) 0 0.6 0.9 1.2 1.5 1.7 1.9 2.4 14.7 14.4 28.3

El germanio presenta cierta conductividad.

V. 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.

rdn=V dn−V d (n−1 )

I dn−I d (n−1 )

Calculando la resistencia dinámica:

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TABLA 2:

Vcc(V.) 0.423 0.495 0.537 0.612 0.735 0.856 1.159 1.473 1.695 1.894 2.213 2.751Id(mA.) 0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 2.5 5.0 8.0 10.0 12.0 15.0 20.0Vd(v.) 0.414 0.449 0.479 0.508 0.541 0.562 0.594 0.616 0.626 0.634 0.644 0.657

Gráfica de la tabla 2

0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.70

5

10

15

20

25

Id(mA) vs Vd(v)

Vd(v)

Id(mA

)

Para a:

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rdn=0 . 657−0 .64420. 0−15 .0

rdn=2. 6Ω

Para b:

rdn=0 . 644−0 . 63415. 0−12. 0

rdn=3. 3Ω

Para c:

rdn=0 . 634−0 . 62612. 0−10. 0

rdn=4Ω

Para d:

rdn=0 . 626−0 .61610. 0−8 . 0

rdn=5Ω

Para e:

rdn=0 . 616−0 .594

8. 0−5 .0 rdn=7 .3Ω

Para f:

rdn=0 . 594−0 .562

5 . 0−2. 5 rdn=12. 8Ω

Para g:

rdn=0 .562−0 . 541

2 .5−1 .6 rdn=23.3Ω

Para h:

rdn=0 .541−0 . 508

1 .6−0 . 8 rdn=41 .25Ω

Para i:

rdn=0 .508−0.478

0 . 8−0 .4 rdn=75Ω

Para j:

rdn=0 . 478−0 . 449

0 . 4−0 . 2 rdn=145Ω

Para k:

rdn=0 .449−0 . 414

0 . 2−0 . 1 rdn=350Ω

TABLA 3:

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Vcc(V.) 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 15.0 20.0

Vd(V.) 0.003 1.948 3.914 5.873 7.870 9.770 11.75 14.71 19.64

Id(μ A.) 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Gráfica de la tabla 3

0 5 10 15 20 250

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

Id(µA) vs Vd(v)

Vd(v)

Id(µA

)

Para todos los casos la resistencia es muy grande, por lo que se le considera como infinito (∞).

rdn= ∞

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

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rdn=V dn−V d (n−1 )

I dn−I d (n−1 )

TABLA 5:

Vcc(V.) 0.189 0.23 0.279 0.338 0.459 0.575 0.884 1.29 1.43 1.65 1.97 2.52Id(mA.) 0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 2.5 5.0 8.0 10.0 12.0 15.0 20.0Vd(v.) 0.163 0.190 0.211 0.239 0.269 0.292 0.334 0.366 0.384 0.398 0.417 0.444

Gráfica de la tabla 5

0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50

5

10

15

20

25

Id(mA) vs Vd(v)

Series2

Vd(v)

Id(mA

)

Para a:

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rdn=0 .444−0 . 41720. 0−15 .0

rdn=5. 4

Para b:

rdn=0 . 417−0 . 39815. 0−12. 0

rdn=6 .3

Para c:

rdn=0 . 398−0. 38412. 0−10. 0

rdn=7

Para d:

rdn=0 . 384−0 .36610. 0−8 . 0

rdn=9

Para e:

rdn=0 . 366−0.334

8. 0−5.0 rdn=10. 67

Para f:

rdn=0 .334−0 .292

5 .0−2. 5 rdn=16 .8

Para g:

rdn=0 .292−0 . 269

2 . 5−1 .6 rdn=25.56

Para h:

rdn=0 . 269−0. 239

1 .6−0 . 8 rdn=37 .5

Para i:

rdn=0 .239−0. 211

0 . 8−0 . 4 rdn=70

Para j:

rdn=0 . 211−0 .19

0. 4−0. 2 rdn=105

Para k:

rdn=0 . 19−0. 163

0. 2−0. 1 rdn=270

TABLA 6:

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Vcc(V.) 0.0 1.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

12.0 15.0 18.0 20.0

Vd(V.) 0.002 0.973 1.963 3.919 5.894 7.87 9.81

11.78 14.69 17.63 19.52

Id(μ A.) 0 0.6 0.9 1.2 1.5 1.7 1.9 2.4 14.7 14.4 28.3

El germanio presenta cierta conductividad.

Gráfica de la tabla 6

0 5 10 15 20 250

5

10

15

20

25

30

Id(µA) vs Vd(v)

Vd(v)

Id(µA)

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Para a:

rdn=19. 52−17 . 6330−14 . 4

rdn=121. 15 kΩ

Para b:

rdn=17 .63−14 . 6914 . 4−4 . 7

rdn=303. 09 kΩ

Para c:

rdn=14 .69−11. 78

4 .7−2 . 4 rdn=1265. 22 kΩ

Para d:

rdn=11.78−9 . 81

2.4−1 . 9 rdn=3940 kΩ

Para e:

rdn=9 .81−7 .87

1. 9−1.7 rdn=9700 kΩ

Para f:

rdn=7 . 87−5. 894

1. 7−1. 5 rdn=9880 kΩ

Para g:

rdn=5 .894−3 .919

1. 5−1.2 rdn=6583. 33 kΩ

Para h:

rdn=3 . 919−1 . 963

1 . 2−0 . 9 rdn=6520 kΩ

Para i:

rdn=1 .963−0 . 973

0 . 9−0. 6 rdn=3300 kΩ

Para j:

rdn=0 .973−0 .002

0 .6−0 rdn=1618. 33 kΩ

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

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. Pero se notó que en la del germanio circula una cierta cantidad de corriente.

4. Conclusiones

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

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

En la experiencia podemos notar que un diodo permitirá la conducción de corriente cuando se encuentra polarizado directamente, en todo caso se comportara como un circuito cerrado.

Cuando un diodo se polariza inversamente impedirá la conducción de la corriente, es decirse comportara como un circuito abierto.

El diodo de silicio es el que presenta más oposición al paso de la corriente.

El diodo de Germanio conduce cierta cantidad de corriente.

VI. BIBLIOGRAFÍA

http://www.unicrom.com

http://es.wikipedia.org

Guía para mediciones electrónicas y prácticas de laboratorio. Stanley Wolf y Richard Smith.

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