CARACTERÍSTICAS DEL DIODO UNIÓN Astrid Carolina Quirá Vaca.cod: 102213021066 Richard Calvache, cod: 102213011308 Elkin J. Durán Almeciga, cod:102214011752 Erick Ceron, cod: 22092029 LABORATORIO DE DISP. ACTIVOS. ING. FÍSICA. UNIVERSIDAD DEL CAUCA 1. OBJETIVOS ➔
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Medir los efectos de las polarizaciones directa e inversa en la corriente de un diodo de unión. Determinar de manera experimental las características características de voltaje y corriente de un diodo de unión y graficarlas. Medir resistencias directa e inversa de un diodo de unión con un óhmetro.
2. INTRODUCCIÓN A Través de esta práctica se planea estudiar el comportamiento de los diodos(germanio y silicio) para de una manera teórica llevarlo a una práctica, analizaremos el comportamiento de estos mismos y su funcionalidad, El diodo es un elemento electrónico que deja circular corriente siempre que sea sea polarizado directamente, directamente, y se comporta como un aislante si su polarización es inversa. la rectificación. como es llamado el proceso de transformar la corriente alterna en continua es una de las aplicaciones del diodo, pues combinado con otros elementos posee otros usos, es vital para muchos ingenieros y personas que estudian la electrónica comprender a la perfección el funcionamiento de este componente , por tal razón con esta práctica se pretende caracterizar el diodo de silicio y el diodo de germanio por medio del circuito circuito propuesto en la guia guia de clase. clase.
MARCO TEÓRICO Diodo El diodo es un dispositivo de semiconductor compuesto por una unión P-N, es un material extrínseco que adquiere unas propiedades específicas dependiendo del dopado o las impurezas que han sido añadidas a una configuración molecular, en la parte práctica es utilizado en el área de la electricidad con el objetivo de modificar diferentes señales de voltaje, regular el voltaje, emitir luz y muchas otras aplicaciones que no se abordan en este informe. este diodo es el más común en la actualidad se forma a partir de la unión de dos cristales semiconductores la unión P-N posee una zona llamada zona de juntura.
El diodo es polarizado en directa, es decir el terminal P(ánodo) se conecta con un potencial positivo y el terminal N(cátodo) con uno negativo, para que el diodo entre en conducción la diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo debe superar un umbral para que los electrones y huecos logren separar una barrera de potencial producida por la zona de juntura. esa diferencia de potencial umbral depende del tipo de material con que sean fabricados los semiconductores, en el caso del silicio la barrera umbral es de 0.7 V y en el caso del germanio la barrera umbral es de 0.3 V. De manera contraria , el diodo puede ser polarizado de manera inversa si el potencial en el ánodo es negativo y el del cátodo positivo; aquí el diodo no conducirá a menos que la diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo supere el umbral de ruptura y el diodo entra en zona de avalancha , donde se produce la ruptura de la zona de juntura y posteriormente puede ocurrir la destrucción del diodo.
El símbolo gráfico del dido se muestra en la figura siguiente:
Diodos Rectificadores
Los diodos rectificadores son dispositivos electrónicos que se utilizan para controlar la dirección del flujo de corriente en un circuito eléctrico. Dos materiales comúnmente utilizados para los diodos son el germanio y el silicio. Mientras que ambos diodos realizan funciones similares, existen ciertas diferencias entre los dos que deben ser tomadas en consideración antes de instalar uno u otro en un circuito electrónico. Diodos de silicio La construcción de un diodo de silicio comienza con silicio purificado. Cada lado del diodo se implanta con impurezas (boro en el lado del ánodo y arsénico o fósforo en el lado del cátodo), y la articulación donde las impurezas se unen se llama la "unión p-n". Los diodos de silicio tienen un voltaje de polarización directa de 0,7 voltios. Una vez que el diferencial de voltaje entre el ánodo y el cátodo alcanza los 0,7 voltios, el diodo empezará a conducir la corriente eléctrica a través de su unión p-n. Cuando el diferencial de voltaje cae a menos de 0,7 voltios, la unión p-n detendrá la conducción de la corriente eléctrica, y el diodo dejará de funcionar como una vía eléctrica. Debido a que el silicio es relativamente fácil y barato de obtener y procesar, los diodos de silicio son más frecuentes que los diodos de germanio.
Diodos de germanio Los diodos de germanio se fabrican de una manera similar a los diodos de silicio. Los diodos de germanio también utilizan una unión pn y se implantan con las mismas impurezas que los diodos de silicio. Sin embargo los diodos de germanio, tienen una tensión de polarización directa de 0,3 voltios. El germanio es un material poco común que se encuentra generalmente junto con depósitos de cobre, de plomo o de plata. Debido a su rareza, los diodos de germanio son más difíciles de encontrar (y a veces más caros) que los diodos de silicio. ¿Qué diodo debo usar? Los diodos de germanio se utiliza mejor en circuitos eléctricos de baja potencia. Las polarizaciones de voltaje más bajas resultan 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 deben mantenerse a un mínimo. Sin embargo, los diodos de germanio se dañan más fácilmente que los diodos de silicio. Los diodos de silicio son excelentes diodos de propósito general y se pueden utilizar en casi todos los circuitos eléctricos que requieran de un diodo. Los diodos de silicio son más duraderos que los diodos de germanio y son mucho más fáciles de obtener. Mientras que los diodos de germanio son apropiados para circuitos de precisión, a menos que exista un requisito específico para un diodo de germanio, por lo general es preferible utilizar diodos de silicio cuando se fabrique un circuito. Para analizar con precisión un circuito con diodos se necesita saber la resistencia interna del diodo. La fórmula para calcular la resistencia interna es:
Polarización Directa
El diodo permite la circulación de corriente sólo cuando se encuentra polarizado en forma directa, que es cuando el terminal ánodo tiene polaridad positiva con respecto al terminal cátodo; en este caso, se dice que el diodo se comporta como un conductor , y se produce una circulación de corriente por el circuito, en el sentido convencional. Polarización inversa Cuando el diodo se polariza en forma inversa,(negativo en el ánodo y positivo en el cátodo), a nivel práctico, éste se comporta como un circuito abierto, es decir, no circula corriente. pero realmente si existe una cierta corriente, que por ser tan pequeña no se considera a efectos prácticos. Dicha corriente se denomina corriente inversa de fuga (IR), y es muy dependiente de la temperatura. Su valor es del orden de nA en el silicio, y de mA en el germanio.
Las zonas directas e inversa quedan descritas de manera unificada por la siguiente expresión matemática.
3. MONTAJE EXPERIMENTAL En
esta
primera
práctica
se
montó
el
siguiente
circuito:
Y para ello se utilizaron los siguientes dispositivos: ● ● ● ● ●
1 diodo de silicio 1 diodo de germanio 1 resistor 240 Ω a 5 W 1 fuente de voltaje 2 multímetros
El primer procedimiento consistió en medir el voltaje y la corriente que circulaba por el diodo cuando se encontraba alimentado por la fuente con un voltaje aproximadamente igual al valor del voltaje de umbral del diodo, así mismo se midió la resistencia en directa del diodo, se tomaron los mismos datos tanto en polarización directa como en inversa, la tabla 1.1 muestra estos resultados. En el segundo procedimiento se tomaron medidas de la corriente que circulaba por el diodo en polarización directa cuando el voltaje de la fuente se variaba en 10 valores; 5 valores por debajo y 5 valores mayores al voltaje de umbral (Tabla 1.2). Luego se cambió la polarización del diodo a inversa y se registraron los valores de la corriente para 10 voltajes determinados. Todos estos pasos, se realizaron de la misma forma para el diodo de germanio.
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 1. Diodo de Germanio: Tabla 1.1 POLARIZACION DEL DIODO PASO
V A-K
IO
RESISTENCIA DEL DIODO
2
0,55 V
0,496 mA
1,27 KΩ
3
0,71 V
0
-1,32 KΩ
4
Directa: 547
Inversa: 240 KΩ Tabla 1.2. CARACTERISTICAS VOLTAJE - CORRIENTE [V] Paso 5 VAK
Polarización directa [mA] ID
PASO 6 VAK [ V ]
Polarización Inversa ID [μ A]
0,2
0
0
0
0,3
0,001
-3
0
0,4
0,019
-5
0
0,5
0,094
-7
0
0,6
0,255
-9
0
-11
0
V 0,8
0,683
-13
0
0,9
0,945
-15
0
1
1,251
-17
0
1,11
1,488
-19
0
1,2
1,726
-21
0
2. Diodo de Silicio: Tabla 2.1. Polarización del Diodo PASO
V A-K
IO
RESISTENCIA DEL DIODO
2
0,22 V
0
8,33 KΩ
3
0,208 V
0
6,53 KΩ
4
Directa: 731 Inversa : 180 KΩ
Tabla 2.2 Caracteristicas Voltajes - Corrientes
[V] Paso 5 VAK
Polarización directa [mA] ID
PASO 6 VAK [ V ]
Polarización Inversa ID [μ A]
0
0
0
0
0,038
0
-3
0
0,08
0
-5
00,8
0,12
0
-7
3,72 mA
0,16
0
-9
11,27 mA
-11
19,08 mA
V 0,5
0,01
-13
28 mA
1
0,842
-15
36,1 mA
2
5,72
-17
44,3 mA
1,5
2,95
-19
52,3 mA
1,85
4,32
-21
58,2 mA
Tabla 3: Resistencia del diodos DIODO
DIRECTA
INVERSA
Germanio
1108,87
∞
Silicio
∞
∞
➢
GERMANIO:
GRAFICA 1: Voltaje vs Corriente (Polarización Directa)
GRÁFICA 2: Voltaje vs Corriente (Polarización Inversa)
➢
SILICIO:
GRAFICA 3: Voltaje vs Corriente (Polarización Directa)
GRÁFICA 4: Voltaje vs Corriente (Polarización Inversa)
Tabla 4: Resistencia Másica de los diodos: DIODO
RESISTENCIA MÁSICA [Ω]
Germanio
239,81
Silicio
831,35
ANÁLISIS: Para la realización de esta práctica se utilizaron los diodos de silicio 1N4148 y de germanio 1N60 o equivalentes , estos se utilizaron ambos en polarización directa y luego en polarización inversa, observando los datasheets del fabricante determinamos cuál de las terminales corresponde al ánodo y cuál al cátodo esto también se puede comprobar midiendo los voltajes de umbral de estos con el multímetro, se pudo comprobar que solo
en una dirección se dirigía la corriente comprobado lo expuesto en los datasheets. luego de esto se montó el circuito de la figura 1,1 y se simulo en proteus.
Polarización en directa diodo de germanio Después de haber montado el circuito y como se explica en el montaje se midió la diferencia de potencial del diodo de germanio, el multímetro arrojó 0.55V y luego una corriente de 0.469mA. esto se debe a que se le aplicó a la fuente 0.7 V inicialmente entonces con estas condiciones los huecos de la región P y los electrones de la región N son empujados hacia la unión por el campo eléctrico formado que da lugar a la polarización por lo cual se reduce la anchura de la zona de transición, como el campo eléctrico de la polarización se opone al de la unión, por esta razón se reduce el campo eléctrico de la unión y consecuentemente la barrera de potencial esto lo podemos ver en la disminución del voltaje en el diodo de aproximadamente de 0.15V cercano a el voltaje de umbral del diodo de germanio que es de 0.2V. mostrando una resistencia 1.27 KΩ al estar en DC en conducción esta disminuyó. Cuanto más se disminuya la barrera, esto se logra aumentando el voltaje como se puede corroborar en la tabla 1.2 CARACTERÍSTICAS VOLTAJE-CORRIENTE para el diodo de germanio, más portadores mayoritarios la podrán superar y difundirse hacia el otro lado de la unión y por tanto mayor será la corriente si se observa la gráfica 1, a medida que el voltaje aumenta se disminuye la barrera del diodo por ende la corriente también aumenta comienzan a 0,2V con una corriente de 0 mA a medida que aumenta el voltaje exponencialmente aumenta la corriente hasta llegar a 1,2V con una corriente de 1,726mA . En definitiva, la corriente que atraviesa la unión es debida al movimiento de electrones y huecos inyectados a cada lado de la unión donde son minoritarios. los huecos que circulan de izquierda a derecha constituyen una corriente en el mismo sentido que los electrones que se mueven de derecha a izquierda, y, por lo tanto, la corriente resultante que atraviesa la unión es la suma de las corrientes de los huecos y de los electrones minoritarios que puede llegar a ser importante o significativa, sin superar el voltaje estipulado en el datasheet 1N60.
Polarización inversa del diodo de germanio
En la gráfica 2, voltaje vs corriente en polarización inversa del diodo de germanio, se puede observar que no hay conducción de corriente, es decir, que permanece constante en el tiempo con un valor de 0 amperios para cada uno de los voltajes que se utilizaron para tomar datos, esto se dio porque al momento de suministrar un voltaje desde la fuente en esta polarización, la placa positiva de la fuente empezó a atraer a los electrones libres del material tipo N los cuales fueron llenando los “huecos” que existían en el material tipo P y al tratar de pasar nuevamente al material tipo N se encuentran con la barrera de potencial que existe en el diodo y que no pueden atravesar porque en el instante en que se produce esta mínima corriente de transición la zona de empobrecimiento obtiene más potencial ya que los materiales N y P se van quedando sin portadores de carga mayoritarios y la intensidad del campo eléctrico entre las zonas de empobrecimiento aumenta hasta que el potencial a través de estas regiones es igual al de la fuente, por esta razón es que no hay conducción de corriente a través del diodo así se aumente la magnitud de la fuente de voltaje y como la corriente de transición es tan pero tan pequeña el tester no es capaz de medirla porque no tiene tanta precisión, además del hecho de que esto ocurre en nanosegundos, por otro lado, ésta aumenta siempre que la zona de empobrecimiento se agranda y como esta zona no puede crecer más la corriente de transición se mantiene constante con un valor muy cercano a cero. Cuando la zona de deplexión ya no puede crecer más dentro del diodo, habrán electrones que se posicionarán en los pocos huecos disponibles que quedan, los otros electrones que no alcanzaron a tomar un hueco y quedaron por fuera del diodo adquieren un aumento en su energía cinética gracias a la excitación de la fuente haciendo que traspasen la barrera de potencial y como cuentan con una gran energía cinética estos al llegar al material de tipo N rompen los enlaces covalentes que golpean dejando ahora más electrones libres y estos a su vez rompen otros enlaces covalentes dejando una gran cantidad de electrones libres que se sentirán atraídos por la placa positiva de la fuente creando el efecto avalancha, a la magnitud de este potencial cuando ocurre el efecto avalancha se le conoce como voltaje de ruptura, el cual no se sobrepaso en la práctica ya que suele ser mayor a 30 o 40 voltios para diodos rectificadores. Como se vio anteriormente en polarización inversa el diodo no conduce corriente, así, aunque se pueden tomar dos puntos de voltaje en la gráfica para realizar el cálculo de la resistencia interna con la fórmula, a la hora de tomar sus respectivos puntos de corriente no se podrá llegar a un valor cuantitativo conveniente, ya que, en cualquier punto se encuentra el valor de cero, por eso a la hora de utilizar el concepto de límite para realizar el cálculo de dichas diferenciales de esta función, esta tiende a infinito, de ahí, el comportamiento de la resistencia interna del diodo de germanio en polarización inversa. Polarización directa del diodo de silicio
En la gráfica 3 se aprecia en polarización directa el diodo de silicio , es decir, cuando la corriente circula de positivo a negativo por el diodo en disposición [ P-N] a partir de alrededor de 0,5V con una corriente muy pequeña (0,001 mA), al que posiblemente puede ser el voltaje umbral o de barrera . Sin embargo, generalmente este tipo de diodos poseen un voltaje umbral de 0,7 V ; lo cual puede cuestionarse que la circulación de esta corriente (0,001mA) puede representar una corriente de fuga, dado por las impurezas del efecto joule ó otro tipo de excitación que genera el flujo de portadores de carga en poca cantidad. Al consultar este comportamiento con la hoja de datos del diodo (Data Sheet), dada por el fabricante; se deniega esta especulación, ya que confirma la conducción de corriente en polarización directa a partir de un voltaje de 0,5 V aproximadamente. Posteriormente al comparar la curva Corriente - Voltaje experimental con la dada por el fabricante, se comprueba el funcionamiento exitoso del diodo, que parte de 0,5V aprox. a conducir corriente y su comportamiento efectivamente es potencial. La corriente aumenta linealmente con respecto al voltaje; asi como tambien la resistencia disminuye finitamente en el diodo permitiendo mayor cantidad de flujo de corriente; Ya que estos dispositivos soportan una corriente, voltaje límite dado por cada fabricante en su hoja de datos.
Polarización inversa del diodo de silicio La curva característica de un diodo muestra que éste no conduce corriente cuando se encuentra polarizado inversamente, sin embargo, cuando se supera cierta tensión de ruptura aparece el efecto avalancha, lo que provoca que la magnitud de la corriente comience a elevarse de una manera muy rápida. A diferencia del diodo de germanio, en este caso, sí se sobrepasó la tensión de ruptura, permitiendo comprobar experimentalmente el efecto avalancha, para ello recurrimos a la gráfica 4, en donde se puede observar este comportamiento claramente, cuanto mayor es el voltaje de entrada, mayor es la corriente que circula en inversa por el diodo. El problema de experimentar este fenómeno se encuentra cuando la corriente aumenta demasiado, pues cada diodo tiene una especificación con respecto a la corriente máxima soportada, lo que llevaría a la destrucción del diodo. La resistencia en continua del diodo de silicio con polarización inversa es considerablemente grande, pues como ya se vió la corriente es mínima para voltajes pequeños. En nuestro caso, el valor fue de 180 kΩ, el cual supera en varios órdenes de magnitud a la resistencia interna del diodo. Desde este mismo enfoque se logra deducir que la resistencia va ir disminuyendo a medida que el voltaje se acerca a la tensión de ruptura.
5. CONCLUSIONES
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La relación entre la corriente y el voltaje en un diodo no es lineal, por lo tanto la resistencia varía según la corriente.
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Un diodo se comporta como una resistencia, al vencer la barrera energética necesaria para su conducción (Voltaje Umbral) y aumentar linealmente su potencial como lo describe la ley de Ohm en los resistores. A partir del voltaje de umbral, la resistencia másica del diodo se comporta de manera lineal y es igual a la inversa de la pendiente de la gráfica de corriente vs voltaje. En polarización directa la resistencia del diodo disminuye, mientras que en inversa, su valor crece. Por más que se aumente la amplitud de la fuente en polarización inversa no va a existir conducción de corriente, ya que la barrera de potencial en este caso aumenta hasta igualarse a dicha amplitud. En polarización inversa, en el momento en que la zona de deplexión ya no puede crecer dentro del diodo para igualar el potencial suministrado por la fuente, actuará en él el efecto avalancha, a la magnitud de este potencial cuando ocurre el efecto avalancha se le conoce como voltaje de ruptura. se pudo establecer comparación y diferencia directa para los diodos como lo es claramente que la función de los diodos es la de permitir el paso de la corriente en una dirección determinada, pero cada diodo trabaja distinto con diferente voltaje de umbral y a distintas frecuencias, por lo cual sus aplicaciones son distintas.
6. BIBLIOGRAFÍA ●
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http://www.nxp.com/documents/data_sheet/1N4148_1N4448.pdf http://www.ehowenespanol.com/caracteristicas-del-diodo-germanio-deldiodo-silicio-lista_153695/ http://www.academia.edu/8495120/INFORME_DE_ELECTR%C3%93NICA_B %C3%81SICA_DIODOS_RECTIFICADORES_Tabla_de_contenido http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina 11.htm
TABLA RESUMEN DE APORTES AL INFORME
NUM
[1] [2] [3] [4] [5]
NOMBRE
OBJ (%)
INTRO (%)
MONT EXP (%)
RES Y DISC (%)
CONCL (%)
OTROS (%)
