Experimento No5
Dispositivos Electrónicos
ÍNDICE I. II. III. IV. V. VI. VII . VII I. IX. X. XI.
OBJETIVOS INTRODUCCIÓN TEÓRICA MATERIALES PROCEDIMIENTO CUESTIONARIO PREGUNTA 1 PREGUNTA 2
2 2 8 10 12 12 14
PREGUNTA 3
15
PREGUNTA 4
16
CONCLUSIONES
1
BIBLIOGRA!IA
18
I. DISPOSITIVOS FOTOELÉCTRICOS DE DOS TERMINALES. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS EXPERIMENTO 5
1
Experimento No5
Dispositivos Electrónicos
II. OBJETIVOS 1. Verifcar experimentalmente uncionamiento de un LED.
las
características
de
2. Verifcar experimentalmente uncionamiento de un LDR.
las
características
de
3. Verifcar experimentalmente las uncionamiento de un otodiodo.
características
de
III. INTRODUCCION TEORÍCA Diodo LED
LEDs. Un LED, siglas en ingls de Light-Emitting Diode !diodo emisor de lu"# es un dispositi$o semiconductor !diodo# %ue emite lu" policrom&tica, es decir, con dierentes longitudes de onda, cuando se polari"a en directa ' es atra$esado por la corriente elctrica. El color depende del material semiconductor empleado en la construcci(n del diodo, pudiendo $ariar desde el ultra$ioleta, pasando por el espectro de lu" $isi)le, *asta el inrarro+o, reci)iendo stos ltimos la denominaci(n de IRED !Infra-Red Emitting Diode#.
El uncionamiento ísico consiste en %ue, un electr(n pasa de la )anda de conducci(n a la de $alencia, perdiendo energía. Esta energía se manifesta en orma de un ot(n desprendido, con una amplitud, una direcci(n ' una ase aleatoria.
2
Experimento No5
A "#$
Dispositivos Electrónicos
C % & "'$
Representaci(n sim)(lica del diodo LED
El dispositi$o semiconductor est& comnmente encapsulado en una cu)ierta de pl&stico de ma'or resistencia %ue las de $idrio %ue usualmente se emplean en las l&mparas incandescentes. -un%ue el pl&stico puede estar coloreado, es s(lo por ra"ones estticas, 'a %ue ello no inu'e en el color de la lu" emitida. Usualmente un LED es una uente de lu" compuesta con dierentes partes, ra"(n por la cual el patr(n de intensidad de la lu" emitida puede ser )astante comple+o. /ara o)tener una )uena intensidad luminosa de)e escogerse )ien la corriente %ue atra$iesa el LED0 el $olta+e de operaci(n $a desde 1, *asta 2,2 $oltios aproximadamente, ' la gama de intensidades %ue de)e circular por l $a desde 1 *asta 2 m- en los diodos de color ro+o, ' de 2 a m- para los otros LEDs. El primer LED %ue emitía en el espectro $isi)le ue desarrollado por el ingeniero de 4eneral Electric 5ic6 7olon'a6 en 1892.
Tecnolo!" LED#OLED En corriente contínua !D:#, todos los diodos emiten una cierta cantidad de radiaci(n cuando los pares electr(n;*ueco se recom)inan, es decir, cuando los electrones caen desde la )anda de conducci(n !de ma'or energía# a la )anda de $alencia !de menor energía#.
Experimento No5
Dispositivos Electrónicos
e$itar %ue la radiaci(n emitida sea rea)sor)ida por el material circundante del propio diodo, lo %ue sucede en los con$encionales.
Compuestos empleados en la construcción de LED.
Co$%&es'o
Colo(
Lon. de ond"
Infrarrojo
940nm
Rojo e infrarrojo
890nm
Rojo, naranja y amarillo
630nm
Fosfuro de galio (GaP)
erde
!!!nm
"i#ruro de galio (Ga")
erde
!$!nm
Arseniuro de galio (GaAs)
Arseniuro (AlGaAs)
de
galio
y
aluminio
Arseniuro fosfuro de galio (GaAsP)
%eleniuro de &in' (n%e)
A&ul
"i#ruro de galio e indio (InGa")
A&ul
4!0nm
ar*uro de sili'io (%i)
A&ul
480nm
+iaman#e ()
%ili'io (%i)
l#ra-iole#a
.n desarrollo
Los primeros diodos construidos ueron los diodos inrarro+os ' de color ro+o, permitiendo el desarrollo tecnol(gico posterior la construcci(n de diodos para longitudes de onda cada $e" menores. En particular, los diodos a"ules ueron desarrollados a fnales de los 8 4
Experimento No5
Dispositivos Electrónicos
por =*u+i 5a6amura, a>adindose a los ro+os ' $erdes desarrollados con anterioridad, lo %ue permiti(, por com)inaci(n de los mismos, la o)tenci(n de lu" )lanca. El diodo de seleniuro de "inc puede emitir tam)in lu" )lanca si se me"cla la lu" a"ul %ue emite con la ro+a ' $erde creada por otoluminiscencia. La m&s reciente inno$aci(n en el &m)ito de la tecnología LED son los diodos ultra$ioletas, %ue se *an empleado con xito en la producci(n de lu" )lanca al emplearse para iluminar materiales uorescentes. ?anto los diodos a"ules como los ultra$ioletas son caros respecto de los m&s comunes !ro+o, $erde, amarillo e inrarro+o#, siendo por ello menos empleados en las aplicaciones comerciales. Los LED comerciales típicos est&n dise>ados para potencias del orden de los 3 a 9 m@. En torno a 1888 se introdu+eron en el mercado diodos capaces de tra)a+ar con potencias de 1 @ para uso continuo0 estos diodos tienen matrices semiconductoras de dimensiones muc*o ma'ores para poder soportar tales potencias e incorporan aletas met&licas para disipar el calor !$er con$ecci(n# generado por eecto Aoule. En 22 se comerciali"aron diodos para potencias de @, con efciencias en torno a 9 lmB@, es decir, el e%ui$alente a una l&mpara incandescente de @. De continuar esta progresi(n, en el uturo ser& posi)le el empleo de LED en la iluminaci(n. El comien"o del siglo CC< *a $isto aparecer los diodos LED !LED org&nicos#, a)ricados con materiales polímeros org&nicos semiconductores. -un%ue la efciencia lograda con estos dispositi$os est& le+os de la de los diodos inorg&nicos, su a)ricaci(n promete ser considera)lemente m&s )arata %ue la de a%uellos, siendo adem&s posi)le depositar gran cantidad de diodos so)re cual%uier superfcie empleando tcnicas de pintado para crear pantallas a color. A%lic"ciones Los diodos inrarro+os !
Los LED se emplean con prousi(n en todo tipo de indicadores de estado !encendidoBapagado# en dispositi$os de se>ali"aci(n !de tr&fco, de emergencia, etc.# ' en paneles inormati$os !el ma'or del mundo, del 5-=D-, tiene 39,9 metros de altura ' est& en ?imes =%uare, Fan*attan#. ?am)in se emplean en el alum)rado de pantallas de cristal lí%uido de telonos m($iles, calculadoras, agendas electr(nicas, etc., así como en )icicletas ' usos similares. Existen adem&s impresoras LED. El uso de l&mparas LED en el &m)ito de la iluminaci(n !inclu'endo la se>ali"aci(n de tr&fco# es pre$isi)le %ue se incremente en el uturo, 'a %ue aun%ue sus prestaciones son intermedias entre la l&mpara 5
Experimento No5
Dispositivos Electrónicos
incandescente ' la l&mpara uorescente, presenta induda)les $enta+as, particularmente su larga $ida til, su menor ragilidad ' la menor disipaci(n de energía, adem&s de %ue, para el mismo rendimiento luminoso, producen la lu" de color, mientras %ue los *asta a*ora utili"ados, tienen un fltro, lo %ue reduce nota)lemente su rendimiento. Los @*ite LEDs son el desarrollo m&s reciente. Un intento mu' )ien undamentado para sustituir las )om)illas actuales por dispositi$os muc*o m&s efcientes desde un punto de $ista energtico. ?am)in se utili"an en la emisi(n de se>ales de lu" %ue se trasmiten a tra$s de f)ra (ptica. Cone)i*n La dierencia de potencial $aría de acuerdo a las especifcaciones relacionadas con el color ' la potencia soportada.
En trminos generales puede considerarseG •
Ro+o H 1,9V
•
Ro+o alta luminosidad H 1,8V
•
-marillo H 1,IV a 2V
•
Verde H 2,V
•
Verde alta luminosidad H 3,V
•
5aran+a H 2,V
•
Jlanco )rillante H 3,V
•
-"ul H 3,V
•
-"ul 3nm H ,9V
•
Jlanco H 3,IV
Luego mediante la le' de *m, puede calcularse la resistencia adecuada para la tensi(n de la uente %ue utilicemos.
El trmino <, en la (rmula, se refere al $alor de corriente para la intensidad de luminosa %ue necesitamos. Lo comn es de 1 para 6
Experimento No5
Dispositivos Electrónicos
LEDs de )a+a luminosidad ' 2m- para LEDs de alta luminosidad0 un $alor superior puede in*a)ilitar el LED o reducir de manera considera)le su tiempo de $ida. tros LEDs de una ma'or capacidad de corriente conocidos como LEDs de potencia !1K, 3K, K, etc#, pueden ser usados a 1m-, 3m-, Im- o incluso a 1, m- dependiendo de las características opto;elctricas dadas por el a)ricante. :a)e recordar %ue tam)in pueden conectarse $arios en serie, sum&ndose las dierencias de potencial en cada uno. ?am)in se pueden *acer confguraciones en paralelo, aun%ue este tipo de confguraciones no son mu' recomendadas para dise>os de circuitos con LEDs efcientes.
Fo'o((esis'enci" LDR
LDR $iene de la expresi(n inglesa Lig*t Dependent Resistor, se caracteri"an por ser componentes pasi$os cu'a resistencia $aría en unci(n de la lu" %ue reci)en. =u sím)olo esG
- medida %ue reci)en m&s lu" la resistencia disminu'e nota)lemente como se muestra en el siguiente gr&fco de $alores típicos.
Experimento No5
Dispositivos Electrónicos
Fuestran una gran sensi)ilidad a la lu", pero si la lu" $aría mu' r&pidamente, los $alores de la resistencia $arían m&s lentamente !se dice %ue muestra inercia a las $ariaciones de la intensidad luminosa#.
IV.
MATERIAL
+
E,UIPO
1. Una uente de $aria)le.
corriente
M()*(+ B& M,-/,+ NO - )+
contínua
PRECISION 130A 462256460033
!
Experimento No5
Dispositivos Electrónicos
2. Un miliamperímetro. M"(c"- +OO/A0A Modelo- 123B NO de se(ie- 4355366673289 Sensi:ilid"d- 3.2 ;#V
3. Un microamperímetro. M"(c"- +OO/A0A Modelo- 133B NO de se(ie- 4355366673266 Sensi:ilid"d- <2#21= ;#V
. Un $oltímetro. M"(c"- +OO/A0A Modelo- 53226> NO de se(ie- 4355>>1373231 Sensi:ilid"d- 2333 ;#V
. Un multímetro.
9. Un LED.
"
Experimento No5
Dispositivos Electrónicos
I. Un LDR !otoresistencia#
. Un otodiodo !a"ul pe%ue>o#
8. Resistencias de 1 M, 1N M, 1N M.
1. :a)les ' !cocodriloB)anano#
11.
conectores
Dos placas con "(calo de 2 pines !9 terminales#
1#
Experimento No5
Dispositivos Electrónicos
V. PROCEDIMIENTO 1. Verifcaci(n de un LED. a#
)# Usando un o*mímetro $erifcar sus resistencias directa e in$ersa. Llenar la ?a)la 1. /a*la R +ire'#a
R In-ersa
,192Ω
30 Ω
c# -+ustar la uente de corriente continua a un $olta+e comprendido entre 2 a 3$, ' $erifcar la propiedad luminiscente del LED !5o usar ma'or $olta+e#. d# -rmar el siguiente circuitoG
e# -+ustar los $alores de $olta+e de la uente de c.c., segn se indica en la ?a)la 2. 11
Experimento No5
Dispositivos Electrónicos
-notar los $alores leídos por el miliamperímetro ' el $oltímetro. 2. Verifcaci(n de un LDR !otorresistencia#. a# Usando el o*mímetro, $erifcar la propiedad otoelctrica del LDR, anotar su $alor Resisti$o en la ?a)la 3. /a*la 3 R (5s'uridad)
R (Iluminado)
30 Ω
8!Ω
)# -rmar el siguiente circuitoG /a*la 4 +R (5s'uridad) 8,1! c#
+R (Iluminado) 3,93-
.+7 Aagado
.+7 .n'endido
c# Fedir el $olta+e en el LDR ' anotar los daros en la ?a)la .
3. Verifcaci(n de un otodiodo. a# Usando el o*mímetro, $erifcar la propiedad otoelctrica del otodiodo, anotar su $alor resisti$o en la ?a)la . /a*la ! R (5s'uridad)
R (Iluminado)
60 Ω
4,0Ω
)# -rmar el circuito mostradoG /a*la 6
12
Experimento No5
Dispositivos Electrónicos
I (5s'uridad)
I (Iluminado)
0:A
86:A
Llenar la ?a)la 9#.
El micro amperímetro de)er& estar en la escala de 1P!por lo menos#.
VI. CUESTIONARIO FINAL 2. E)%lic"( lo ?&e s&cede con el LED "l (e"li@"( l"s "c'iid"des del P"so 2. D,-, LED "L E) D,-$ =i alguna $e" *a $isto, unas pe%ue>as luces de dierentes colores %ue se encienden ' apagan, en algn circuito electr(nico, *a $isto el diodo LED en uncionamiento. El LED es un tipo especial de diodo, %ue tra)a+a como un diodo comn, pero %ue al ser atra$esado por la corriente elctrica, emite lu". Existen diodos LED de $arios colores %ue dependen del material con el cual ueron construidos. 7a' de color ro+o, $erde, amarillo, &m)ar, inrarro+o. Elctricamente el diodo LED se comporta igual %ue un diodo de silicio o germanio. =i se pasa una corriente a tra$s del diodo semiconductor, se in'ectan electrones ' *uecos en las regiones / ' 5, respecti$amente.
Dependiendo de la magnitud de la corriente, *a' recom)inaci(n de los portadores de carga !electrones ' *uecos#. 7a' un tipo de recom)inaciones %ue se llaman recom)inaciones radiantes !a%uí la emisi(n de lu"#. La relaci(n entre las recom)inaciones radiantes ' el total de recom)inaciones depende del material semiconductor utili"ado !4a-s, 4a-s/,' 4a/# Dependiendo del material de %ue est& *ec*o el LED, ser& la emisi(n de la longitud de onda ' por ende el color. MATERIAL
Longitud de onda de emisión
COLOR
13
Experimento No5
Dispositivos Electrónicos
GaAs
es Angstroms (Ao) "4# nm
in$r%rro&o
AlGaAs
!"# nm
Ro&o e in$r%rro&o
GaAsP
63# nm
Ro&o' n%r%n&% ( %m%rillo
GaP
555 nm
ver)e
GaN
525 nm
ver)e
InGaN
45# nm
%*+l
De)e de escogerse )ien la corriente %ue atra$iesa el LED para o)tener una )uena intensidad luminosa ' e$itar %ue este se pueda da>ar. El LED tiene un $olta+e de operaci(n %ue $a de 1. V a 2.2 $oltios aproximadamente ' la gama de corrientes %ue de)e circular por l est& entre los 1 ' 2 miliamperios !m-# en los diodos de color ro+o ' de entre los 2 ' miliamperios !m-# para los otros LEDs. ?iene enormes $enta+as so)re las l&mparas indicadoras comunes, como su )a+o consumo de energía, su mantenimiento casi nulo ' con una $ida aproximada de 1, *oras. El diodo LED de)e ser protegido. Una pe%ue>a cantidad de corriente en sentido in$erso no lo da>ar&, pero si *a' picos inesperados puede da>arse. Una orma de protegerlo es colocar en paralelo con el diodo LED pero apuntando en sentido opuesto un diodo de silicio comn. -plicaciones tiene el diodo LED. =e utili"a ampliamente en aplicaciones $isuales, como indicadoras de cierta situaci(n específca de uncionamiento. E+emplos ; =e utili"an para desplegar contadores ; /ara indicar la polaridad de una uente de alimentaci(n de corriente continua. ; /ara indicar la acti$idad de una uente de alimentaci(n de corriente alterna. ; En dispositi$os de alarma =us des$enta+as son %ue su potencia de iluminaci(n es tan )a+a, %ue su lu" es in$isi)le )a+o una uente de lu" )rillante ' %ue su &ngulo de $isi)ilidad est& entre los 3Q ' 9Q. Este ltimo pro)lema se corrige con cu)iertas diusores de lu". Ver sím)olo del diodo LED a la derec*a
5. E)%lic"( el &ncion"$ien'o del LDR &s"do en el %"so 5. ,n% $otorresistenci% es +n componente electrónico c+(% resistenci% )ismin+(e con el %+mento )e intensi)%) )e l+* inci)ente- P+e)e t%m.i/n ser ll%m%)o $otorresistor' $otocon)+ctor' c/l+l% $otoel/ctric% o resistor )epen)iente )e l% l+*' c+(%s si0l%s DR se ori0in%n )e s+ nom.re en in0l/s light deendent resistor14
Experimento No5
Dispositivos Electrónicos
Un otorresistor est& *ec*o de un semiconductor de alta resistencia, con materiales de estructura cristalina, ' utili"a sus propiedades otoconductoras. Los cristales utili"ados m&s comunes sonG suluro de cadmio ' seleniuro de cadmio. =i la lu" %ue incide en el dispositi$o es de alta recuencia, los otones son a)sor)idos por la elasticidad del semiconductor dando a los electrones la sufciente energía para saltar la )anda de conducci(n. El electr(n li)re %ue resulta !' su *ueco asociado# conduce electricidad, de tal modo %ue disminu'e la resistencia. Un dispositi$o otoelctrico puede ser intrínseco o extrínseco. En dispositi$os intrínsecos, los nicos electrones disponi)les est&n en la )anda de la $alencia, por lo tanto el ot(n de)e tener )astante energía para excitar el electr(n a tra$s de toda la )anda pro*i)ida. Los dispositi$os extrínsecos tienen impure"as agregadas, %ue tienen energía de estado a tierra m&s cercano a la )anda de conducci(n puesto %ue los electrones no tienen %ue saltar le+os, los otones m&s )a+os de energía !es decir, de ma'or longitud de onda ' recuencia m&s )a+a# son sufcientes para accionar el dispositi$o. Los $alores de una otorresistencia cuando est& totalmente iluminada ' cuando est& totalmente a oscuras, puede medir de o*mios a 1 o*mios !1N# en iluminaci(n total ' puede ser de N !, *ms# a $arios megao*mios cuando est& a oscuras.
El $alor de la otorresistencia, no $aría de orma instant&nea cuando se pasa de lu" a oscuridad o al contrario, ' el tiempo %ue se dura en este proceso no siempre es igual si se pasa de oscuro a iluminado o si se pasa de iluminado a oscuro. Esto *ace %ue el LDR no se pueda utili"ar en muc*as aplicaciones, especialmente a%uellas %ue necesitan de muc*a exactitud en cuanto a tiempo para cam)iar de estado !oscuridad a iluminaci(n o 15
Experimento No5
Dispositivos Electrónicos
iluminaci(n a oscuridad# ' a exactitud de los $alores de la otorresistencia al estar en los mismos estados anteriores. =u tiempo de respuesta típico es de aproximadamente .1 segundos.
L( *7//( - /9), - *(-, El suluro de cadmio o las clulas del suluro del cadmio !:d=# conían en la capacidad del cadmio de $ariar su resistencia segn la cantidad de lu" %ue pulsa la clula. :uanta m&s lu" pulsa la clula, m&s )a+a es la resistencia. -un%ue no es exacta, incluso una clula simple de :d= puede tener una amplia gama de resistencia de cerca de 9 en lu" )rillante a 1 o 2 F en oscuridad. Las clulas son tam)in capaces de reaccionar a una amplia gama de recuencias, inclu'endo inrarro+o !
+* noct+rn% )e encen)i)o %+tomtico' +e +tili*% +n% $otorresistenci% p%r% %ctiv%r +n% o ms l+ces %l lle0%r l% noc7e-
Rel/ control%)o por l+*' )on)e el est%)o )e il+min%ción )e l% $otorresistenci%' %ctiv% o )es%ctiv% +n Rel%( rel/' +e p+e)e tener +n 0r%n n8mero )e %plic%ciones-
El DR o $orresistenci% es +n elemento m+( 8til p%r% %plic%ciones en circ+itos )on)e se necesit% )etect%r l% %+senci% )e l+* )e )9%-
6. E)%lic"( el &ncion"$ien'o del o'odiodo &s"do en el %"so 6 co$%"("(lo (es%ec'o "l LDR. Fo'odiodo Diodo de'ec'o( de l&@
El otodiodo se parece muc*o a un diodo semiconductor comn, pero tiene una característica %ue lo *ace mu' especialG es un dispositi$o %ue conduce una cantidad de corriente elctrica proporcional a la cantidad de lu" %ue lo incide !lo ilumina#.
16
Experimento No5
Dispositivos Electrónicos
u& in'iden#e
%en#ido de la 'orrien#e generada
Esta corriente elctrica u'e en sentido opuesto a la ec*a del diodo ' se llama corriente de uga. El otodiodo se puede utili"ar como dispositi$o detector de lu", pues con$ierte la lu" en electricidad ' esta $ariaci(n de electricidad es la %ue se utili"a para inormar %ue *u)o un cam)io en el ni$el de iluminaci(n so)re el otodiodo. =i el otodiodo %uedara conectado, de manera %ue por l circule la corriente en el sentido de la ec*a !polari"ado en sentido directo#, la lu" %ue lo incide no tendría eecto so)re l ' se comportaría como un diodo semiconductor normal. La ma'oría de los otodiodos $ienen e%uipados con un lente %ue concentra la cantidad de lu" %ue lo incide, de manera %ue su reacci(n a la lu" sea m&s e$idente. - dierencia del LDR o otorresistencia, el otodiodo responde a los cam)ios de oscuridad a iluminaci(n ' $ice$ersa con muc*a m&s $elocidad, ' puede utili"arse en circuitos con tiempo de respuesta m&s pe%ue>o. =i se com)ina un otodiodo con un transistor )ipolar, colocando el otodiodo entre el colector ' la )ase del transistor !con el c&todo del diodo apuntado al colector del transistor#, se o)tiene el circuito e%ui$alente de un ototransistor.
8. E)%one( s&s concl&siones (es%ec'o "l e)%e(i$en'o. En el caso tcnico se encuentra con todo tipo de difcultades al integrar los arreglos experimentales. -%uí relucen )astante las siguientesG 1# El tama>o del espcimen estudiado, esto al momento de colocarlo en el dedo río para una me+or orientaci(n respecto al e+e de incidencia de la lu" T. 2# El tama>o de la c&mara de enriamiento criognico, puesto %ue esto limita las posi)ilidades de u)icar el detector.
1
Experimento No5
Dispositivos Electrónicos
3# La longitud ' rigide" de las mangueras del e%uipo de criogenia, con lo cual no se puede f+ar adecuadamente el criostato en cual%uier confguraci(n re%uerida para los experimentos. # La oscuridad ideal, para conser$ar la po)laci(n de algunos deectos intacta. # Fane+o de la rapide" del procesador de la /: mediante el sotKare de control del e%uipo, 'a %ue sin esto se o)tienen resultados no esperados en el experimento. /odemos mencionar muc*os de los o)st&culos %ue *a' %ue superar para lograr un estudio detallado del comportamiento de los centros de color pero estos son los m&s nota)les en el desarrollo experimental.
VII. CONCLUSIONES •
Un diodo permitir& la conducci(n de corriente cuando se encuentra polari"ado directamente. =e comportar& como un circuito cerrado.
•
Un diodo impedir& la conducci(n de corriente cuando se encuentre polari"ado in$ersamente. =e comportar& como un circuito a)ierto.
1!
Experimento No5
Dispositivos Electrónicos
VIII. BIBLIO/RAFÍA
*ttpGBBKKK.unicrom.com
*ttpGBBes.Ki6ipedia.org
4uía para mediciones electr(nicas ' pr&cticas de la)oratorio. =tanle' @ol ' Ric*ard =mit*.
Jo'lestad
1"
