Laboratorio Nº 0: RESISTENCIAS RESISTENCIAS SEMICONDUCTORAS SEMICONDUCTORAS Facultad de Ingeniería Eléctrica Eléctrica y Electrónica, Universidad Universidad Nacional de Ingeniería Lima, Perú ABSTRACT
“From exerience !e conclude t"at t"e resistors made o# various materials $semiconductor resistors% do not meet linear c"aracteristics
V
vs&
I
' (ecause t"is deends on certain
arameters suc" as temerature, temerature, lig"t intensity, among ot"ers' !"ic" could (e veri#ied (y ma)ing t"e construction o# gra"s !it" t"e data&* I.
OBJETIVO
+ostrar al alumno las características no lineales les de las las resist istencias ias semiconductoras& Utliar los instrumentos y construcción de cur curvas vas car caracte acterristi istica cass de los los elementos&
II.
CUESTIONARIO
1.- FUNDAMENTO DE CONDUCCIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES. -E+I./N0U.1/23 Un semiconductor es un material a medio cam camino ino entr entree los con conduct ductoores y los aisl aislan ante tes, s, en lo 4ue 4ue a su caa caaci cida dadd de conducir corriente eléctrica resecta& Un semiconductor en estado uro $intrínseco% no es ni (uen conductor ni (uen aislante& Los semiconductores semiconductores m5s comunes de solo un elemento son el silicio, el germanio y el car(ón& Los semiconductores comuestos, tales como el arseniuro de galio y el #os#uro de indio, tam(ién son de uso común& Los semiconductores semiconductores de un solo elemento est5n cara caracte cteri ria ado doss or or 5tom 5tomos os con con cuat cuatro ro electrones de valencia& ELE.12/NE- 6 7UE./-3 7UE./-3
En un semiconductor intrínseco como el silicio a temeratura or encima del cero a(soluto, "a(r5 algunos electrones 4ue ser5n excitados, cruar5n la (anda ro"i(ida y entrando en la (anda de conducción, odr5n roducir corriente& .uando el electrón del silicio uro atraviesa la (anda ro"i(ida, de8a tras de sí un uesto vacante de electrones o 9"ueco9 en la estructura cristalina del silicio normal& :a8o la in#luencia de una tensión externa, tanto el electrón como el "ueco se ueden mover a través del material& En un semiconductor tio n, el doante contri(uye con electrones extras, aumentando dr5sticamente la conductividad& En un semiconductor tio , el doante roduce vacantes adicionales o "uecos, 4ue tam(ién aumentan la conductividad& -in em(argo, el comortamiento de la unión ;n es la clave ara la enorme variedad de disositivos electrónicos de estado sólido&
•
•
1IP/ N3 Es el 4ue est5 imuri#icado con imureas 90onadoras9, 4ue son imureas entavalentes& .omo los electrones sueran a los "uecos en un semiconductor tio n, reci(en el nom(re de 9ortadores mayoritarios9, mientras 4ue a los "uecos se les denomina 9ortadores minoritarios9&
-emiconductor Intrínseco3 Intrínseco indica un material semiconductor extremadamente uro contiene una cantidad insigni#icante de 5tomos de imureas& En él se cumle3 n = p =ni
•
material semiconductor intrínseco $uro%& Este roceso, llamado doado, incrementa el número de ortadores de corriente $electrones o "uecos%& Los dos ortadores de imureas son el tio n y el tio &
-emiconductor Extrínseco3 En la r5ctica nos interesa controlar la concentración de ortadores en un semiconductor $n o %& 0e este modo se ueden modi#icar las roiedades eléctricas3 conductividad& Para ello se rocede al roceso de doado&
0/P<0/3 La conductividad del silicio y el germanio se incrementa dr5sticamente mediante la adición controlada de imureas al
Los electrones li(res de la #igura circulan "acia el extremo i4uierdo del cristal, donde entran al conductor y #luyen "acia el ositivo de la (atería& El número de electrones li(res se 3
llama n $electrones li(res= m %&
•
1IP/ P3 Es el 4ue est5 imuri#icado con imureas 9
En el circuito "ay tam(ién un #lu8o de ortadores minoritarios& Los electrones li(res dentro del semiconductor circulan de derec"a a i4uierda& .omo "ay muy ocos ortadores minoritarios, su e#ecto es casi desrecia(le en este circuito& 7ay tantos "uecos como imureas de valencia > y sigue "a(iendo "uecos de generación térmica $muy ocos%& El número de
2.- RESISTENCIA DEL FILAMENTO EN EL FOCO. +ientras m5s se aumenta la temeratura del #ilamento $aumenta el volta8e entre sus terminales% la lu emitida or él es m5s intensa&
Nosotros en la exeriencia variamos la tensión de la #uente donde "a(ía dos resistencias una de ?@@ Ω en serie con la resistencia del #oco, como las resistencias esta(an en serie al aumentar la tensión estos aumenta(an tam(ién or lo tanto "a(ía una variación en la temeratura y de(ido a esto una variación en la resistencia, ero como la variación en la temeratura era mínima la resistencia del #oco no varía muc"o& No es conveniente incrementar el volta8e 4ue alimenta un #ilamento ues esto reduce la vida útil de la l5mara& 0e "ec"o es necesario un corto eríodo de calentamiento luego de encenderla, ara desués alcanar su temeratura esta(le& 3.- RESISTENCIA SEMICONDUCTORA L023
3
"uecos se llama $"uecos= m %&
El L02 $Lig"t 0eendent 2esistor% o resistencia deendiente de la lu o tam(ién #oto resistor , es una resistencia 4ue varía su resistencia en #unción de la lu 4ue incide so(re su suer#icie& .uanto mayor sea la intensidad de la lu 4ue incide en la suer#icie del L02 menor ser5 su resistencia y cuanto menos lu incida mayor ser5 su resistencia&
Un termistor P1. es un resistor sensi(le térmicamente cuya resistencia aumenta signi#icativamente con la temeratura&
•
•
N1.3
.- !R"FICAS
Un termistor N1. es un resistor cuya resistencia térmicamente sensi(le ex"i(e una disminución grande, recisa y redeci(le como la temeratura del núcleo de la resistencia aumenta con el rango de temeratura de #uncionamiento&
.I2.UI1/ F/./ EN -E2IE ./N 2E-I-1EN.I<3
•
Ar5#ica de “.orriente del #oco vs& Bolta8e del #oco*
-e utilian ara medir la temeratura, la temeratura de control y ara la comensación de temeratura& 1am(ién ueden ser utiliados ara detectar la ausencia o resencia de un lí4uido, como disositivos de limitación de corriente en los circuitos de suministro de energía, monitoriación de la temeratura en alicaciones de automoción y muc"os m5s& P1.3 Ar5#ica de “2esistencia del #oco vs& Bolta8e del #oco*
.I2.UI1/ 0EL L02 ./N EL F/./3
Ar5#ica de “2esistencia del #oco vs& Bolta8e del #oco*
Ar5#ica de “2esistencia del L02 vs& Bolta8e del #oco*
.I2.UI1/ 0EL N1. ./N EL F/./3
Ar5#ica de “2esistencia delN1. vs& Bolta8e del #oco*
Ar5#ica de “.orriente del L02 vs& Bolta8e del #oco* #.- CIRCUITOS INTE!RADOS +/.3 Un +/. es un otoacolador& La gran venta8a de un otoacolador reside en el aislamiento eléctrico 4ue uede esta(lecerse entre los circuitos de entrada y salida& Fundamentalmente este disositivo est5 #ormado or una #uente emisora de lu, y un #otosensor de silicio, 4ue se adata a la sensi(ilidad esectral del emisor luminoso, todos estos elementos se encuentran dentro de un encasulado 4ue or lo general es del tio 0IP$se trata de un con8unto de interrutores eléctricos 4ue se resenta en un #ormato encasulado%&
Ar5#ica de “.orriente del N1. vs& Bolta8e del #oco*
•
Fototriac3 se comone de un otoacolador con una etaa de salida #ormada or un triac
Fototriac de aso or cero3/toacolador en cuya etaa de salida se encuentra un triac de cruce or cero& El circuito interno de cruce or cero conmuta al triac sólo en los cruce or cero de la corriente alterna&
FUN.I/N<+IEN1/& La seCal de entrada es alicada al #otoemisor y la salida es tomada del #otorrecetor& Los otoacoladores son caaces de convertir una seCal eléctrica en una seCal luminosa modulada y volver a convertirla en una seCal eléctrica& La gran venta8a de un otoacolador reside en el aislamiento eléctrico 4ue uede esta(lecerse entre los circuitos de entrada y salida&
Los #otoemisores 4ue se emlean en los otoacoladores de otencia son diodos 4ue emiten rayos in#rarro8os y los #otorrecetores ueden ser tiristores o transistores& .uando aarece una tensión so(re los terminales del diodo I2E0, este emite un "a de rayos in#rarro8o 4ue transmite a través de una e4ueCa guía;ondas de l5stico o cristal "acia el #otorrecetor& La energía luminosa 4ue incide so(re el #otorrecetor "ace 4ue este genere una tensión eléctrica a su salida& Este resonde a las seCales de entrada, 4ue odrían ser ulsos de tensión& •
1IP/- 0E /P1/<./PL<0/2E-& Fototransistor3 se comone de un otoacolador con una etaa de salida #ormada or un transistor :D1&
/P1/ELE.12/NI./-3 La otoelectrónica es el nexo de unión entre los sistemas óticos y los sistemas electrónicos& Los comonentes otoelectrónicos son a4uellos cuyo #uncionamiento est5 relacionado directamente con la lu como3 •
0iodo LE0&
•
Fotodiodo&
•
0islay de segmentos&
•
/toacolador
Esta clase de disositivos ermiten convertir seCales óticas en seCales electrónicas, o viceversa& -us alicaciones son muy extensas y variadas, ero #undamentalmente se alican en circuitos de comunicaciones, sistemas de seCaliación, roductos de consumo masivo, tecnología esacial y #ísica de artículas& $.- O%SER&ACIÓN ' CONCLUSIONES ?& Las resistencias semiconductoras no siguen un comortamiento lineal como las resistencias comunes, sino 4ue tienen un comotamiento exonencial& 1ales
resistencias como el N1., P1. 6 L02' 4ue deenden de ciertos ar5metros como temeratura o intensidad luminosa& & Para oder lograr ver grandes e#ectos de variación de las resistencias semiconductoras se tiene 4ue exerimentar un gran cam(io en la varia(le 4ue deende la resistencia de tal' de otra #orma la variación de su resistencia ser5 mínima&0e(ido a la oca variación de los ar5metros' en la exeriencia del la(oratorio no se udo areciar cam(ios relativamente altos como ara ser visualiados correctamente& >& Estas resistencias semiconductoras $N1., P1., L02% ueden ser utliadas como sensores en las distintas alicaciones de la electrónica& 7oy odemos verlas en acción en royectos de domótica, drones, entre otros&
III.
E(UI)OS ' MATERIALES
Los materiales a utiliar en el la(oratorio son3 • • • • •
• •
•
@? 1ermistor N1. @? +ultímetro @? Proto(oard @? Foco de ?@m< ; ?B @? Fuente de alimntación rograma(le @? Fotoresistencia L02 @? 2esistor ?@@G $H%, ?G, @G .a(les de conexión
IV.
RESOLUCIÓN DE CIRCUITOS
2esolviendo el circuito tendremos 4ue3 <licando la *+, + t+ni/n + iro y la *+, + O43 V T + V R=12
( )
1000 I + RT I =12
#a(ricantes ara
(
RT (t )= R 25∗ e
B B − T T 25
)
0onde3 •
•
•
•
R 25
3 2esistencia del N1. a
JK. :3 .onstante T 25
3 1emeratura a JK.
dado en elvin T 3 1emeratura a la 4ue se encuentra el termistor N1. $esa temeratura deende de la intensidad del #oco%&
/ tam(ién odría ser exresado or3
( )
RT (T )= R0 e
B T
2eemlaando en la ecuación inicial3
( ( )) B
1000 I + R 0 e
I =
T
I = 12
( )
R 0 e
α
−
)
0onde3
12 B T
R L ( L ) = A ( E
+ 1000
A
•
0eendiendo de la tensión del #oco, resistencia del #oco y de la distancia del #oco al N1. es 4ue se esta(lece una relación entre la temeratura ara el N1. y con la cual se "ar5n los c5lculos&
,
α
3
.onstantes 4ue deenden del material utiliado E 3 0ensidad
•
suer#icial de energía reci(ida
la
2eemlaando en la ecuación inicial3
Es decir3
270000 I +
T =T ( V F , R F ,d )
0onde3
( A ( C ) ) I −
∗
270000 + A
V F
= 12
12
I = •
α
( E α ) −
3 1ensión
alicada al #oco R F
•
•
3 2esistencia del
#oco $varía en tiemo% d 3 0istancia del
B&
-I+UL<.IN
#oco al termistor
2esolviendo el circuito tendremos 4ue3 <licando la *+, + t+ni/n + iro y la *+, + O43
En la siguiente imagen se uede ver el circuito con el #oco y una resistencia en serie de ?@@G&
V L + V R =12
( ) I
270000 I + R L
= 12
En la siguiente imagen se uede ver el circuito con el L02 en su estado inicial, sin encender el #oco&
En la siguiente imagen se uede ver el circuito con el N1.a temeratura am(iente&
En la siguiente imagen se uede ver el circuito con el L02 en su QK estado de intensidad luminosa&
&I. M? M
M>
%I%LIO!RAF5A
2o(ert L& :oylestad and Louis Nas"els)y, Electroni devices and circuit t"eory, ?@t" edition& .ircuitos y disositivos electrónicos3 Fundamento de electrónica, Lluís Prat BiCas, 5g& >JJ Fuente del navegador "tt3==materias&#i&u(a&ar=OOJ=.las es=0isositivos/toelectronicos& d#
En la siguiente imagen se uede ver el circuito con el L02 en su OK estado de intensidad luminosa&
En la siguiente imagen se puede ver el circuito con el NTC en su estado a temperaturaambiente (25ºC).
