RCF-37-1

Laboratorio de Electrnica, Septiembre de 2014

Electrnica

Laboratorio de Electrnica, (2014)

Curva Caracteristica Del DiodoAlarcon Karina, Amador Alberto, Blanco Marlon, Jaraba Fabian, Orozco L. LuisUniversidad del Atlntico

Facultad de Ingenieria

Resumen

El objetivo de esta prctica fue armar un circuito con un diodo normal y una resistencia, y asi medir el voltaje de la resistencia y el diodo, y de esta manera obtener su curva caracterstica, con el diodo en configuracin normal y en inverso.Palabras claves: Diodo curva caracterisica de, voltaje, corriente.

1. Introduccin

En esta actividad experimental vamos tomar los datos que nos permitirn trazar la curva caracterstica del diodo, de manera experiemntal y teorica.2. Marco Teorico Diodo pn o Unin pn

Los diodos pn son uniones de dos materiales semiconductores extrnsecos tipos p y n, por lo que tambin reciben la denominacin de unin pn. Hay que destacar que ninguno de los dos cristales por separado tiene carga elctrica, ya que en cada cristal, el nmero 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 difusin de electrones del cristal n al p (Je).Al establecerse estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unin, zona que recibe diferentes denominaciones como zona de carga espacial, de agotamiento, de deplexin, de vaciado, etc.A medida que progresa el proceso de difusin, la zona de carga espacial va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unin. Sin embargo, la acumulacin de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo elctrico (E) que actuar sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondr a la corriente de electrones y terminar detenindolos.Este campo elctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensin 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 est mucho ms dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor.Al dispositivo as 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 est polarizado. Al extremo p, se le denomina nodo, representndose por la letra A, mientras que la zona n, el ctodo, se representa por la letra C (o K).

A (p)C K (n)

Representacin simblica del diodo pn

Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensin externa, se dice que el diodo est polarizado, pudiendo ser la polarizacin directa o inversa.

Polarizacin directa

En este caso, la batera disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a travs de la unin; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad.Para que un diodo est polarizado directamente, tenemos que conectar el polo positivo de la batera al nodo del diodo y el polo negativo al ctodo. En estas condiciones podemos observar que:

El polo negativo de la batera repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unin p-n.

El polo positivo de la batera atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unin p-n.

Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batera es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energa suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unin p-n.

Una vez que un electrn libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los mltiples huecos de la zona p convirtindose en electrn de valencia. Una vez ocurrido esto el electrn es atrado por el polo positivo de la batera y se desplaza de tomo en tomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batera.

De este modo, con la batera cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a travs del diodo una corriente elctrica constante hasta el final.

Polarizacin inversa

En este caso, el polo negativo de la batera 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 tensin en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensin de la batera, tal y como se explica a continuacin:

El polo positivo de la batera 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 batera. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los tomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrn en el orbital de conduccin, adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de valencia, ver semiconductor y tomo) y una carga elctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos.

El polo negativo de la batera cede electrones libres a los tomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos tomos slo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los tomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrn que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batera entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los tomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga elctrica neta de -1, convirtindose as en iones negativos.

Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial elctrico que la batera.

En esta situacin, el diodo no debera conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarn pares electrn-hueco (ver semiconductor) a ambos lados de la unin produciendo una pequea corriente (del orden de 1 A) denominada corriente inversa de saturacin. Adems, existe tambin una denominada corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequea corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los tomos de silicio no estn rodeados de suficientes tomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los tomos 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 travs de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de saturacin, la corriente superficial de fugas es despreciable.

Curva caracterstica del diodo

Tensin umbral, de codo o de partida (V).La tensin umbral (tambin llamada barrera de potencial) de polarizacin directa coincide en valor con la tensin 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 tensin externa supera la tensin umbral, la barrera de potencial desaparece, de forma que para pequeos incrementos de tensin se producen grandes variaciones de la intensidad.

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

Corriente inversa de saturacin (Is).Es la pequea corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formacin de pares electrn-hueco debido a la temperatura, admitindose que se duplica por cada incremento de 10 en la temperatura.

Corriente superficial de fugas.Es la pequea corriente que circula por la superficie del diodo (ver polarizacin inversa), esta corriente es funcin de la tensin aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensin, aumenta la corriente superficial de fugas.

Tensin de ruptura (Vr).Es la tensin inversa mxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha.

Tericamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducir la corriente inversa de saturacin; en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensin, en el diodo normal o de unin 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 polarizacin inversa se generan pares electrn-hueco que provocan la corriente inversa de saturacin; si la tensin inversa es elevada los electrones se aceleran incrementando su energa cintica de forma que al chocar con electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de conduccin. Estos electrones liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensin, chocando con ms electrones de valencia y liberndolos a su vez. El resultado es una avalancha de electrones que provoca una corriente grande. Este fenmeno se produce para valores de la tensin superiores a 6 V.

Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto ms dopado est el material, menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el campo elctrico E puede expresarse como cociente de la tensin V entre la distancia d; cuando el diodo est muy dopado, y por tanto d sea pequeo, el campo elctrico ser grande, del orden de 3105 V/cm. En estas condiciones, el propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia incrementndose 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.

Ampliacion de descripcion de Curva Caracteristica

Con la polarizacin directa los electrones portadores aumentan su velocidad y al chocar con los tomos generan calor que har umentar la temperatura del semiconductor. Este aumento activa la conduccin en el diodo.

Caracterstica I/V de un diodo semiconductor

VuTensin umbral

VsTensin de saturacin

VrTensin de ruptura

OAZona de baja polarizacin directa, pequea corriente

ABZona de conduccin

OCCorriente inversa de saturacin

A partir de C, zona de avalancha

CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN DIODO IDEAL

Si el diodo est polarizado directamente, su circuito equivalente es el de un conmutador cerrado, pequea resistencia.

Con polarizacin inversa, el circuito representa un conmutador abierto, gran resistencia.

3. Materiales:Diodos

Resistencias

Multimetro

Fuente4. Parte experimental

VOLTAJE FUENTE (V)Vdiodo(mV)I (mA)Vdiodo(mV)2

0,19,709,7

0,290090

0,32150215

0,43130,002313

0,53960,016396

0,64410,053441

0,74800,124480

0,84980,187498

0,95160,276516

15230,327523

1,15400,444540

1,25490,53549

1,35570,644557

1,45600,68560

1,55690,805569

1,65750,925575

1,75791,016579

1,85821,047582

1,95891,223589

25901,228590

2,25981,415598

2,46051,602605

2,66111,872611

2,86161,98616

36202,2620

3,56312,68631

46383,17638

4,56453,71645

56524,22652

5,56574,68657

66625,17662

6,56665,67666

76696,13669

7,56736,62673

86777,09677

8,56807,56680

96838,07683

9,56868,54686

106888,93688

Para este experimento, se monto el circuito mostrado en la figura 1, se incremento el voltaje de la fuente desde 0.1 V hasta que el voltaje se regulara en el diodo, o sea no variara mucho, en itntervalos pequeos, con un voltimetro se midio el voltaje en el diodo y el voltaje en la resistencia. Con estos datos se calculo la corriente el el diodo mostrados en la tabla 1 y se precede a graficar, figura 2. Al invertir la batera como se muestra en la figura 3, se tomaron los datos de la tabla n 2.

Diodo Inverso:Voltaje fuente (V)Vdiodo (mV)Corriente

0,16,10

0,2121,40

0,3188,30

0,42600

0,53760

0,65080

0,76340

0,87120

0,97600

18830

1,19710

1,211230

1,312080

1,412730

1,513760

1,615450

1,716320

1,816990

1,918340

219000

2,220700

2,423200

2,624400

2,826600

328500

3,533900

438800

4,544000

548700

5,553900

659000

6,564000

768500

7,573500

878500

8,583900

988200

9,594000

1099000

5. Simulacion:

Diodo normal:

Diodo inverso:

6. Conclusiones

Pudimos comprobar de manera experimental que la curva caracterstica de un diodo 1N4007 con polarizacin directa se comporta de la misma manera que un diodo de cilicio y que su tensin umbral corresponde a la brindada por el fabricante la cual es de 0.9 V tambin podemos notar que la resistencia a la corriente es vencida de manera abrupta despus de que la tensin umbral es superada.

Tambin se logro ver como el mismo diodo en polarizacin inversa tiene un comportamiento diferente ya que la cantidad de corriente que pasa atreves de este es casi nula reforzando lo dicho tericamente lo cual sucede por la gran resistencia que este opone al flujo de la corriente.ReferenciasG, C. J. Fundamentos de electrnica. Pearson.Electrnica Fcil. (s.f.). Recuperado el 29 de 02 de 2012, de http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Fuentesalimentacion.php165