Practica de Fisica de Semiconductores

INSTITUTO TECNOLOGICO DE VERACRUZ

CARRERA: INGENIERIA ELECTRÒNICA

MATERIA: LABORATORIO DE FISICA DE SEMICONDUCTORES

CATEDRATICO:________________________________________________________________ _ NOMBRE DE ALUMNOS: _________________________________________________________ _________________________________________________________

HORARIO:_________________________________ GRUPO:___________________________

NO.DECONTROL:______________________PERIODO:_________________________________

FEBRERO 2013

INSTITUTO TECNOLOGICO DE VERACRUZ

REGLAMENTO PARA EL LABORATORIO DE MEDICIONES 

MATERIA: FISICA IV (FISICA DE SEMICONDUCTORES)

1.- Respetar los horarios de labores. 2.- Respeto a los maestros y compañeros. 3.- Conservar el taller limpio. 4.- Aceptar y cumplir con la responsabilidad que se le transfiere al recibir una herramienta o equipo, la cual consiste en la reposición en caso de daño o pérdida. 5.- Aprovechar al máximo los materiales y equipo que la escuela pone a disposición.

o

REGLAMENTO DE HIGIENE Y SEGURIDAD PARA EL LABORATORIO DE FISICA DE SEMICONDUCTORES

1.- N o jugar bromas, a sus compañeros pues estas pueden causar accidentes. 2.- No usar las herramientas para realizar otra operación que no sea para la que fue diseñada. 3.- Prohibido fumar dentro del laboratorio. 4.- No tirar AL suelo material, Desperdicios y líquidos, ya que estos pueden ocasionar accidentes. 5.- No usar en clase anillos, collares o prendas que pueden ocasionar accidentes. 6.- No accionar ningún equipo del cual se desconozca su funcionamiento. 7.- No comer alimentos ni ingerir bebidas (refrescos) durante el tiempo que dure la práctica. Al término de la práctica la zona de trabajo, así como las herramientas y equipo utilizado, deberán estar limpios. Si durante la práctica hubiera algún accidente, Una lesión, se acudirá de inmediato a la enfermería.

RECOMENDACIONES NOTA: leer como mucho cuidado 

MANUAL DE PRÁCTICAS: Es el reporte de comprobación de ejercicios prácticos desarrollados en el

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laboratorio de temas vistos en clase. El manual manual debe tener en su portada portada el nombre del tecnológico y escudo, nombre del maestro, de la materia, del alumno, No. De control, semestre, grupo, hora.

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Los reportes se entregaran en el manual, los jueves de cada semana ASISTENCIA: Los alumnos que falten más del 10% de las asistencias a prácticas de laboratorio en cada unidad se les eliminara el porcentaje correspondiente. PRACTICAS: Se otorgara un porcentaje del 30% en cada unidad a los alumnos que cumplan con el total de prácticas terminadas, concluidas y firmadas. Las prácticas se realizaran en grupos, cuyo número dependerá del total de alumnos inscritos. Las prácticas se entregaran entregaran los días mercados para para el laboratorio y serán calificadas y firmadas. firmadas. Las prácticas se entregarán en el manual respectivo y ahí se calificaran. Las practicas se realizaran de 2 formas (practico en el laboratorio y simulación) Para hacerse acreedores al 30% de la práctica Todos los equipos tendrán que exponer el tema correspondiente sin excepción alguna y como tiene un valor para su calificación, este deberá ser bien presentable por el equipo ó un miembro del equipo si así lo desean. La exposición deberá ser concreta concisa y precisa, abarcando el co ntenido de los temas que comprenda. (sugerencia, utilizar mapas conceptuales). Si algo no se tiene contemplado en este programa, se resolverá sobre la marcha El alumno tendrá derecho hasta10 Minutos de tolerancia para acreditar su asistencia, después será acreedor a un retardo, y 3 retardos equivale a una falta. Se calificara la práctica a las personas del grupo que se encuentren en el laboratorio, previa una serie de preguntas de la práctica. Tolerancia que el alumno tiene para llegar al laboratorio 10 Minutos, de lo contrario se procederá de la misma manera que para el salón de clase. Nota: en caso de que no se cumpla con tares, exposición y/o participación en clase la calificación del examen tomara un valor más alto de lo indicado.

PRACTICA

1

PRACTICA No. 1.- TEORÍA DE BANDAS DE ENERGÍA EN SEMICONDUCTORES A TRAVÉS DE SIMULACIÓN.

OBJETIVO: Que el alumno analice, y compruebe el funcionamiento de los distintos semiconductores, y que al término de esta práctica podrá reafirmar:        

El concepto de diagrama de bandas de energía La formación de los semiconductores semiconductores La diferencia entre los tipos de semiconductores El concepto de estructura cristalina El concepto de hueco, como se crea, que función realiza El sentido del flujo de corriente de electrones electrones y huecos, huecos, El concepto de impureza, que función realizan A que elementos le afecta la temperatura. t emperatura.

INTRODUCCIÓN: Presentar la información básica de los semiconductores. CORRELACIÓN: Relacionarlo CORRELACIÓN: Relacionarlo con el tema y subtemas del programa. MATERIAL: Programa de simulación: PSpice, Electronic Workbench, Mathead, Flash, etc. EQUIPO: Computadora, Cañón, Pantalla, Cables de alimentación DESARROLLO DE LA METODOLOGIA: Como lo va a desarrollar 1.- 1.- De los diversos diversos programas de cómputo que que el alumno maneja, maneja, desarrolle un programa programa de simulación simulación didáctica para analizar y comprender el movimiento de electrones a través de sus bandas de energía de los materiales semiconductores semiconductores intrínsecos y extrínsecos tipo P y N. 2.1.- SEMICONDUCTOR INTRINSECO. Huecos Movimiento

Banda de Conducción (Ec)

del Electrón

½ Banda Prohibida (Eg Electrones Banda de Valencia (Ev

Figura 1.1 Estructura de un semiconductor intrínseco 2.1.- Realice un programa de simulación donde se explique objetivamente el movimiento de los electrones y huecos, a través de su diagrama de bandas de energía (Figura 1.1) para dicho semiconductor, a la temperatura (26°C), para cada uno de siguientes casos: 2.1.a.- simulación1: Cuando se aplica una energía externa Eg = 0eV al semiconductor intrínseco menor la energía de la banda prohibida, describa gráficamente el comportamiento que tiene el flujo de electrones y huecos en el material y que comportamiento presenta su resistencia interna, indicado en la tabla 1.1 Ec

Eg

Ev Figura 1. 2.- Bandas de energía del semiconductor intrínseco Eg= 0 eV

Tabla 1.1.- Descripción grafica del flujo de electrones y huecos, para Eg = 0eV

Grafique el sentido de Grafique el sentido del flujo de electrones (color flujo de huecos. rojo) (color negro)

Comportamiento de su resistencia interna. (ser breve)

Energía Eg = 0eV

2.1.b.- Simulación 2.- Auxiliándose con la figura 1.2, aplique una energía externa Eg = o.5 eV al semiconductor intrínseco que es igual a la mitad de la banda prohibida, describa gráficamente el movimiento que tiene el flujo de electrones y huecos en el semiconductor y como se va comportando su resistencia, indicado en la tabla 1.2.

Tabla 1. 2.- Descripción grafica del flujo de electrones y huecos, para Eg = 0.5eV

Grafique el sentido de flujo de electrones (color rojo)

Grafique el sentido del Comportamiento de su flujo de huecos. resistencia interna. (ser (color negro) breve)

Energía Eg = 0.5 eV

2.1.c.- Simulación3.- Auxiliándose con la figura 1.2, aplique una energía externa Eg = 1eV al semiconductor intrínseco que es mayor a la banda de conducción , describa gráficamente el comportamiento que tiene el flujo de electrones y huecos en el semiconductor y que pasa con su resistencia interna, indicado en la tabla 1.3. Tabla 1.3.- Descripción grafica del flujo de electrones y huecos, para Eg = 1eV Grafique el sentido de flujo de electrones (color rojo)

Grafique el sentido del Comportamiento de su flujo de huecos. resistencia interna. (ser (color negro) breve)

Energía Eg = 1eV

2.2.- Repita el paso 2.1.c, y realice la simulación para hacer que aumente el flujo de electrones y huecos, a medida que aumenta la temperatura de 26°C a 35°C, 45°C, y 60°C, que la banda prohibida se reduzca a medida que esta temperatura aumenta, indicado en la tabla 1.4.

Tabla1. 4.- Descripción grafica del flujo de electrones y huecos y comportamiento de la banda Prohibida. Temperatura

26°C

35°C

45°C

60°C

Grafique el flujo de electrones

Grafique el flujo de huecos Banda prohibida

2.3.- APLICANDO CAMPO ELECTRICO EXTERNO E: 

Conecte una fuente de energía de 5V fijos a los extremos del semiconductor a temperatura ambiente:



Conecte un amperímetro entre el semiconductor y la fuente de voltaje.

A

E = 5V Figura 1.3.- Semiconductor intrínseco campo eléctrico aplicado. a).- Simulación: Realice la simulación correspondiente para indicar el sentido del flujo de electrones y huecos a través del diagrama de bandas de energía mostrado a temperatura ambiente. Ec A Vdc

5V

Eg

Ev

Figura 1.4.- Flujo de corriente y electrones a temperatura ambiente. b) Simulación: Realice la simulación donde muestre que el mismo numero de huecos y electrones se mueven a través de su banda de conducción y de valencia, como el campo eléctrico que reciben los electrones es mayor a la banda prohibida, estos pasan a la banda de conducción y los hueco a la banda de Valencia, la banda prohibida se reduce a medida que la disipación de potencia térmica va aumentando de 26°c, a 35°, 45°C, 60°Cc, debido al campo eléctrico aplicado.

Ec

Vdc

6V Eg

Ev

Figura 1.5.- Flujo de corriente y electrones a diferentes temperatura.

3.- SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS

3.1.- TIPO P CON CAMPO ELECTRICO APLICADO E Aquel semiconductor intrínseco de silicio o germanio que al introducirle una impureza trivalente (+3) como el Boro, Aluminio, galio y Indio., etc. se produce un portador libre llamado hueco por la falta de un electrón de la impureza.

3.1.1.- Simulación para un semiconductor TIPO P 




Conecte un amperímetro entre el semiconductor y la fuente de voltaje.

3.1.2.- Simulación: Realice la simulación para mostrar que el flujo de corriente huecos es mayor a la de electrones a través del circuito figura 1.6 para comprender el funcionamiento de este semiconductor..

A

Vdc = 10V

Figura 1.6. Semiconductor extrínseco t 3.1.3.- Simulación: Realice la simulación donde se muestre objetivamente el movimiento mayor de huecos que de electrones a través de su diagrama de bandas de energía a temperatura ambiente, con Vdc = 10V para reafirmar el funcionamiento de este semiconductor figura indicado en la figura 1.7.

Ec A Eg Vdc

10v

Ev

Figura 1.7.- Corriente mayor de huecos que de electrones

3.2.- TIPO N CON CAMPO ELECTRICO APLICADO E Aquel semiconductor intrínseco de silicio o germanio que al introducirle una impureza pentavalente (+5) como el Fósforo, Arsénico, Antimonio y Bismuto etc. se produce un portador libre llamado electrón porque la impureza le sobra un electrón. 3.2.1.-Simulación para un semiconductor TIPO N 


Conecte un amperímetro entre el semiconductor y la fuente de voltaje. 3.2.2.- Simulación: Realice la simulación para mostrar que el flujo de una corriente de electrones es mayor a la de huecos a través del circuito figura 1.8 para comprender el funcionamiento de este semiconductor.. 

A Vdc = 10 V Figura 1.8.-

Semiconductor extrínseco tipo N

3.2.3.- Aplicando la simulación muestre objetivamente el movimiento mayor de electrones que de huecos a través de su diagrama de bandas de energía a temperatura ambiente, con Vdc = 10Vde la figura 1.9.

Ec

Eg VDC

= 10

Ev

Figura 1.9.- Corriente mayor de electrones. que de huecos.

4.1- Simulación: Realice una simulación donde muestre por separado que los dos tipos de semiconductores P y N tienen aplicados el mismo voltaje 10V pero la corriente de electrones es mayor en el tipo N que en P, de razones del porque se presenta este fenómeno.

Sugerencias didácticas: 

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

Después de realizada la práctica cada grupo de alumnos elaboraran un reporte de la misma, sus opiniones, observaciones y sugerencias para mejorar dichas práctica. Cada grupo de alumnos del laboratorio, elaboraran un banco de reactivos teóricos y de ejercicios, para reforzar el aprendizaje de la unidad. Un grupo de alumnos realizaran la exposición y discusión previa de la práctica a fin de poder tener una mayor comprensión y desarrollo de la misma. El alumno investigara a través de páginas web e Internet, sobre temas de importancia relacionados con la unidad. Después de la práctica, el alumno elaborara su exposición audiovisual PC, cañón, retroproyector. etc. de cómo realizo la práctica y los resultados a que llego. recomendando el uso de la técnica de mapas conceptuales. Se recomienda realizar una visita a centros de investigación para esta práctica

Reporte del alumno: El alumno expresara los detalles que se presentaron durante la realización de la práctica.

Bibliografía empleada: En este punto se plantea la bibliografía o pagina de Internet donde se apoyo para el desarrollo de la práctica. CUESTIONARIO

Lo que busca con este tipo de apoyo es que el alumno cuente con un reforzamiento de lo aprendido en el aula y lo relacione con la práctica y tenga una visión más clara de los semiconductores elemento básico en electrónica.

1.- Explique brevemente que es un diagrama de bandas de energía, que nombre se le da a cada una de las partes que lo integran, y que función realizan cada una de ellas. 2.- Clasifique los tres tipos de materiales cristalinos básicos en electrónica: 3.- Explique el concepto de un semiconductor intrínseco de acuerdo a su criterio. 4.- Describa la operación de un semiconductor intrínseco respecto a la temperatura en 5 pasos partiendo de la temperatura ambiente (26°C). 5.- Explique cual es la diferencia entre un semiconductor extrínseco tipo P y tipo N 6.- ¿En que consisten cada uno de los mecanismos que se emplean para generar la corriente eléctrica en un semiconductor intrínseco? 7.- Defina el concepto de la conductividad y resistividad de un material semiconductor, cual es su diferencia entre ellos. 8.- Un semiconductor intrínseco, se transforma en extrínseco cuando se introduce una impureza ¿Qué es una impureza, que características tiene? 9.- ¿Cuantos tipos de impurezas conoces y que función realizan? 10.- Defina el concepto de un Semiconductor extrínseco tipo P, que tipo impureza se utiliza (diga almenos 2 tipos de materiales). 11.- Defina el concepto de un Semiconductor extrínseco tipo N, que tipo impureza se utiliza (diga almenos 2 tipos de materiales). 12.- explique brevemente como se produce el portador mayoritario y minoritario en un semiconductor extrínseco, ¿Qué tipo de portador mayoritario y minoritario tiene el semiconductor tipo P y tipo N? 13.- Como son las resistencias internas de cada semiconductor tipo P y tipo N en estado normal; alta o baja realice una descripción del porque: 14.- Si en un semiconductor tipo P existen 100 Huecos y en el tipo N 100 Electrones, se aplica un campo eléctrico de 12V a ambos semiconductores a través de sus extremos,¿en cual semiconductor existe más corriente y diga porque? 15.- Dibuje el símbolo esquemático de un semiconductor extrínseco tipo P y tipo N

PRACTICA

2

CURVA CARACTERISTICA V – I Y APLICACIONES DE DIODOS PN

OBJETIVO: El alumno debe obtener la curva característica V - I punto a punto de un diodo PN, medir las variables eléctricas (I y V) en circuitos básicos de aplicación utilizando diodos semiconductores PN. Así como aprender a resolver circuitos de uno o varios diodos mediante simulación, tanto para una señal de entrada variable como constante. INTRODUCCIÓN: CORRELACIÓN CON EL TEMA O SUBTEMA DEL PROGRAMA: Relacione la practica con el tema o subtema visto en clase. Tabla de Componentes y aparatos de medición empleados en la práctica

Cantidad 3 2 2 1 1 1 1 1 3

COMPONENTES Y APARATOS DE LA PRACTICA Material para practica Equipo de Medición Diodos 1N4001 o Equivalente de silicio Milímetro Diodos de Germanio Osciloscopio Fuente de Alimentación 0 – Resistencias 1.2 KΩ 20V Generador de Señales Resistencia 1KΩ Puntas atenuadas para Resistencia 470 Ω Osciloscopio Resistencia 220 Ω

Bolsa de Caimanes Protoboard Hojas de papel Cuadriculado.

DESARROLLO DE LA METODOLOGÍA: 1.- Comprobación de componentes: Con la ayuda de un multímetro verifique que los diodos se encuentran en buen estado y que la resistencia a utilizar sea del valor adecuado. 2.- Construya el circuito básico todos los aparatos de medición requeridos para obtener la curva característica punto a punto del diodo de silicio y después cambie el diodo de Germanio por el de silicio. VOLTAJE APLICADO FUENTE ( VDC ) 2 4 6 8 10 12 14 16 18

VOLTAJE A TRAVÈS DEL DIODO ( VD )

CORRIENTE POR EL DIODO (Idc)

RESISTENCIA DEL DIODO (Rcd)

ECUACIÒNES

20 TABLA 1. DE VALORES DE LOS DIODOS DE SILICIO Y GERMANIO

3.- Determine el Voltaje de umbral (disparo) de los diodos empleados y muéstrelos en la tabla 1. 4.- Obtenga las mediciones de corriente, voltaje y resistencia de los diodos indicadas en la tabla 1. 5.- Grafique las curvas características V- I de acuerdo a los valores indicados en la tabla1: A) Para el silicio (color rojo),

B) Para el germanio (color Azul)

6.- En una sola hoja grafique las dos curvas (Si y Ge) a colores y explique la diferencia

7.-Realizar dicha práctica a través de una simulación y explique diferencias entre la simulación y practico

8.- APLICACIONES CON DIODOS. Arme cada uno de los circuitos indicados y dibuje los oscilogramas correspondientes, si la entrada es una señal triangular de 10 Vpp a 1 kHz del generador de señales. A)

C)

SUGERENCIAS DIDACTICAS: Que necesita saber el alumno para comprender y desarrollar la practica REPORTE DEL ALUMNO: Resultado de la practica según el alumno. BIBLIOGRAFIA: Libros o manuales donde se apoyo para la realización de esta práctica.

CUESTIONARIO Instrucciones: Completar el cuestionario, entregar en una hoja, la nota será (Acumulativa). 1.- ¿Cuántos tipos de Diodos existen? 2.- Puede un diodo conducir en inversa, si, no, ¿ por qué?. 1.- A qué se le denomina material extrínseco. 2.- En un material semiconductor tipo N, cuales son los portadores minoritarios. 3.- Indique diferencias entre un diodo de Silicio y un diodo de germanio. 4.- Explique a que es corriente inversa en un diodo. 5.- Dibuje un diodo polarizado en forma inversa. 6.- Indique los parámetros entregados por el fabricante y qué significa cada uno de ellos.

7.- Que es el tiempo recuperación reversa en los diodos. 8.- Investigue el comportamiento de un diodo ideal, el funcionamiento de un diodo de unión pn, y el origen de las curvas características de los ´últimos. ¿Qué significa que un diodo éste polarizado en forma directa o en inversa? 9.- Investigue qué función matemática describe el comportamiento de un diodo de unión pn y como es afectado por la temperatura. 10. Investigue qué diferencia hay entre el comportamiento de diodos de germanio y de silicio. 11.- ¿Qué funciones desempeña la resistencia R en cada uno de los circuitos? 12.- Clasifique los diferentes tipos de diodos utilizados 13.- En qué proporción varia la corriente de saturación inversa de un diodo silicio y de germanio respecto a la temperatura. 14.- Investigar los valores de corriente de saturación inversa en los diodos de silicio y germanio a temperatura ambiente 15.- ¿Cuanto vale el voltaje de la barrera de potencial de un diodo de silicio cuando esta funcionando a una temperatura de 123ºC y uno de germanio a 78ºC)?. 16.- Exprese y explique la ecuación de corriente de un diodo PN

PRACTICA

APLICACIÒN DE DIODOS PN Y REGULADORES INTEGRADOS DE VOLTAJE

3 Objetivo: El alumno realizará mediciones de variables eléctricas en circuitos básicos y de aplicación general utilizando diodos semiconductores Introducción: Correlación con el tema o subtema del programa: Aplicaciones de los diodos semiconductores PN.

COMPONENTES Y APARATOS DE LA PRACTICA Material para practica Equipo de Medición

Cantidad 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5 2 1 1 1 1 1 1

Diodos rectificador 1N4001 o equivalente Puente de diodos a 1 Amp Transformador con derivación central de 110VAC a 24V a 2A Capacitor electrolítico de 1200 µF a 65V Capacitor electrolítico de 2200 µF a 65V

Milímetro Osciloscopio Fuente de Alimentación 0 – 20V Generador de Señales Puntas atenuadas para Osciloscopio

Capacitor electrolítico de 4400 µF a 65V Capacitor electrolítico de 1 µF a 65V Capacitor electrolítico de 4.7 µF a 65V Capacitor electrolítico de 220 µF a 65V Capacitor electrolítico de 1000 µF a 65V Resistencias de 10KΩ ½ W Resistencias de 1KΩ ½ W Resistencias de 240KΩ ½ W Potenciómetro 5KΩ

Regulador de voltaje fijo LM7805 Regulador de voltaje variable LM317 Bolsa de Caimanes Protoboard

Desarrollo de la metodología: 1.- Circuitos rectificadores. A) Rectificador de media onda: Arme los siguientes circuitos rectificadores de media onda y grafique sus resultados. Utilice una señal senoidal con amplitud de 6 volts y frecuencia de: 1kHz, 5KHz y 10KHz.

Gráficas del circuito (a)

Gráficas del circuito (b)

B ) Rectificadores de onda completa: Arme los siguientes circuitos rectificadores de onda completa y grafique las señales resultantes. Utilice el transformador de 24 Vrms a 2A conectado a la línea de alimentación.

C) Rectificador con filtro capacitivo. Al circuito rectificador de onda completa conecte un capacitor en paralelo al resistor de carga. Dibuje las señales de salida. Utilice 3 valores de capacitores diferentes, 4.7 F, 220 F y 1000 F. El resistor será de 10 k .

(a). Oscilograma con (b). Oscilograma con

C=1200µF C=2200 µF

(a). Oscilograma con C=4400µF

D) Reguladores integrados de voltaje. Regulador de voltaje fijo de +5 volts. Arme el siguiente circuito y dibuje las señales de salida del regulador, voltaje de CD y voltaje de rizo.

E) Regulador de voltaje variable. Arme el siguiente circuito y dibuje las señales de salida del regulador, voltaje de CD y voltaje de rizo.

: NOTA: La l resistencia de 240 Ω será el arreglo serie de 2 resistores, uno de 220 Ω y otro de18Ω

SUGERENCIAS DIDACTICAS: Que necesita saber el alumno para comprender y desarrollar la practica REPORTE DEL ALUMNO: Resultado de la practica según el alumno. BIBLIOGRAFIA: Libros o manuales donde se apoyo para la realización de esta

CUESTIONARIO 1.- Dibujar la curva característica total del diodo indicando cada uno de sus parámetros más importantes. 2.- Diga cuales son los distintos tipos aproximaciones que existen y para que casos se utilizan 3.- Cuales son los modelos de resolución de circuitos con diodos más usados son: 4.- Cuando se dice que un diodo presenta una la resistencia estática y dinámica 5.- Cuando y porque se emplea la rectificación monofásica de onda completa 6.- Defina que es la rectificación monofásica 7.- Exprese y explique la ecuación empleada para calcular el capacitor 8.- Que pasara si se empleara diodos de germanio en la rectificación monofásica de media onda 9.- Explique qué sucede con la señal resultante, cuando se varía la frecuencia de entrada 10.-Explique que resultados se tiene con la señal de salida de un circuito rectificador puente cuando se conecta un capacitor en paralelo con la resistencia. 11.- De la pregunta anterior cual sería el resultado, si los capacitores se varían, con valores más altos al empleado. 12.- Explique donde y porque se emplea la rectificación monofásica de onda completa.

PRACTICA

DIODOS ESPECIALES, CURVAS CARACTERISTICAS Y SUS APLICACIONES

4 Objetivo: Visualizar la relación Voltaje - corriente a través de la función X-Y de un osciloscopio. - Analizar el comportamiento de los diodos Zener como rectificadores y reguladores de voltaje. - Verificar el comportamiento de los diferentes dispositivos especiales de acuerdo al circuito

mostrado.

Introducción: Correlación con el tema o subtema del programa: Relación de la unidad III del programa Diodos especiales

Cantidad 2 1 2 de c/u (4) 1 de c/u 2 de c/u

COMPONENTES Y APARATOS DE LA PRACTICA Material para practica Equipo de Medición Diodos rectificador 1N4001 o equivalente Transformador con derivación central de 110VAC a 24V a 2A Diodos Zener 6.8v, y 12V Diodos Zener de valores diferentes Resistencia 100Ω, Resistencia 220Ω Resistencia 480Ω, 820 Ω y 1KΩ a ½ W

1 1 1 1 1 1

Bolsa de Caimanes

Multimetro Osciloscopio Fuente de Alimentación 0 – 20V Generador de Señales Puntas atenuadas para Osciloscopio Fuente de alimentación 110VAC

Protoboard Diodo varactor Diodo Túnel Termistor NCT Termistor PCT Hojas de Papel cuadriculado

DESARROLLO DE LA METODOLOGÍA: 1. Determinar la curva característica V/I punto a punto del diodo Zener (de acuerdo al valor del diodo zener utilizado) A) Armar el circuito indicado y determinar la curva característica, B) Conecte un voltímetro entre extremos del diodo y un amperímetro en serie. C) Varié paulatinamente el voltaje de alimentación y mida el voltaje de arranque (disparo) del diodo zener D) mida la corriente zener para diferentes valores de tensión aplicados 20Vdc E) Invierta la posición del diodo Zener y tome los datos a 20Vdc F) Grafique la curva característica del diodo zener de acuerdo a los valores obtenidos NOTA: Es recomendable tomar la medición en los puntos en los que el diodo empieza a conducir, tanto en directa como en inversa. En ambos casos no sobrepasar los 50 mA.

Figura 1. Medida punto a punto PREGUNTAS A RESOLVER: 1a- Realizar una tabla con dichos datos y representar gráficamente. 1b- Calcular la tensión Zener y la resistencia dinámica en inversa gráficamente. 1c- ¿Es igual la tensión umbral en ambos casos? 1d- ¿Es igual la tensión Zener en ambos casos? 1e- ¿Es igual el valor de resistencia dinámica en ambos diodos? 2.- DETERMINAR LA CURVA CARACTERÍSTICA V/I DEL DIODO ZENER A MEDIANTE OSCILOSCOPIO A) Construya el circuito indicado con R = 100. B) Aplique: Frecuencia = 100 Hz, Onda Triangular , V generador = 20 PP. y Offset = 0 V C) Osciloscopio: Canal 1 entre A y B y Canal 2 entre C y B

Formato XY

Figura 2. Medida mediante osciloscopio 2b- ¿Cómo funciona el formato XY? 2c- ¿Qué se representa en el osciloscopio? 2d- ¿Coincide con la gráfica de un diodo Zener? ¿Por qué?

3.- DIODOS ZENER COMO REGULADORES DE VOLTAJE Y CORRIENTE

A) construya los diferentes circuitos reguladores o recortadores con diodos zener 1.- Monta los siguientes circuitos en el taller:

2- Aplicando la ley de Kirchhof, determine el valor de la corriente y voltaje de salida. 3.-Coloca el transformador ~ +- 12V en la entrada y una vez conectado al cicuito, mide con el osciloscopio tanto la entrada como la salida 4.-Dibuja las formas de onda, entrada y salida en la misma gráfica: 5- comenta los resultados obtenidos en cada circuito, ¿Para que sirven ? ¿Qué aplicaciones ves a estos circuitos?

4.- APLICACIÒN DE LOS DIODOS ESPECIALES A) Curva característica del diodo varactor o diodo Túnel B) Curva característica de los termistores C) Circuitos aplicativos con termistores

SUGERENCIAS DIDACTICAS: Que necesita saber el alumno para comprender y desarrollar la practica REPORTE DEL ALUMNO: Resultado de la practica según el alumno. BIBLIOGRAFIA: Libros o manuales donde se apoyo para la realización de esta

CUESTIONARIO 1.- Dibujar el símbolo del diodo Zener con todos sus parámetros que lo componen 2.- Enumerar cuatro parámetros de interés en la hoja de características de un diodo Zener. 3.-. Efecto Avalancha" ó "Efecto Zener", 4.- Graficar la curva característica V – I con todos los parámetros correspondientes del diodo zener 5.- En que consisten cada una de las aproximaciones para el diodo Zener 6.- .- Dibuje el circuito equivalente del diodo zener 7.- Dibujar el símbolo , circuito equivalente y explicar el funcionamiento de un varicap. 8.- Defina que es un diodo varactor y en que basa su funcionamiento 9.- Explique el funcionamiento de los diodos varactores, valor de capacidad que presentan y sus aéreas de aplicación 10.- Dibuje el símbolo y circuito equivalente de los diodos schottky, indicando sus elementos que lo componen y porque le nominan semiconductor “portador mayoritario”

11- Describir dos ventajas de los diodos Schottky en comparación con los demás diodos 12- Explique el funcionamiento del diodo Schottky a bajas y altas frecuencias 13.- Indique cuales son las características eléctricas y operativas del diodo schottky y cuáles son sus limitaciones 14.- Dibuje el símbolo y circuito equivalente del diodo Túnel, Curva característica y parámetros màs importantes. 15.- Defina que es un diodo Túnel, como funciona y sus principales características 16.- Indicar los campos de aplicación del diodo túnel y sus circuitos equivalentes en alta frecuencia 17.- Dibuje el símbolo de un termistor, las partes que lo integran 18.- Defina que es un termistor, su curva característica y como funciona 19.- Clasifique a los tipos de termistores, como funciona cada uno de ellos y su curva de respuesta. 20.- Determine la ecuación que determina el valor de un termistor. EJERCICIOS A RESOLVER Proponga y resuelva al menos 2 problemas de cada uno de los diodos expuestos. 1.- Realice e ejemplos con diodos Zener 2.- Realice e ejemplos con diodos Schottky 3.- Realice e ejemplos con diodos Tunel 4.- Realice e ejemplos con diodos Varactor 5.- Realice e ejemplos con diodos Termistor

PRACTICA

TERMISTOR

5

OBJETIVO:: Analizar el comportamiento de la variación de la resistencia eléctrica respecto a la temperatura. Comprender el funcionamiento de un sensor de temperatura con salida resistiva INTRODUCCIÓN: CORRELACIÓN CON EL TEMA O SUBTEMA DEL PROGRAMA: Aplicaciones del Termistor respecto a la temperatura (Unidad 3 diodos especiales).

Material: 2 termistor de ntp (+) y ptc (-) 1 Potenciómetro 1kΩ

Protoboard Bolsa de caimanes 1 Termómetro 0 – 150°c Cables para conexión

Equipo: Fuente de calor Fuente de voltaje 0 – 12 Vdc Voltímetro (analógico o digital) Miliamperímetro (analógico o digital) DESARROLLO DE LA METODOLOGIA:El procedimiento para realizar dicha práctica, es el adecuado y se realizara de la siguiente manera: 1- Arme el circuito mostrado. Potenciómetro + 0 – 12v

termistor -

Miliamperímetro

. Circuito medidor de temperatura 2- Conecte la fuente de voltaje a un valor de 6V y fije la resistencia del potenciómetro en 100Ω 3- Aplique calor al termistor PTC y llene la siguiente tabla 1 de valores.

Vdc = 6V Rpot. =

TEMPERATURA 40°C

1KΩ

50°C

60°C

°C

70°C

80°C

90°C

RTD ID medidor CT resulta Tabla 1 mediciones del termistor a diversas temperatura.

4- Repita el paso ahora con un termistor NTC y VDC = 10 V , registre los datos en la tabla 2

Vdc = 10V

TEMPERATURA

°C

Rpot =1KΩ

40°C

50°C

60°C

70°C

80°C

90°C

RTD Ω-°C

ID medidor CT resulta Tabla 2 mediciones del termistor a diversas temperatura. 5-Varié el Potenciómetro de 1v en 1v, hasta 10 Volts y no aplique temperatura al termistor, registre el valor de la ID, y de la resistencia del termistor, en la tabla 3 VDC

1

2

3

4

5

6

7

RDT T°C

Tabla 3 Mediciones de ID y RDT a diferentes voltajes

8

9

10

6- Con los valores encontrados en la tabla grafique la curva resultante del termistor SUGERENCIAS DIDACTICAS: Que necesita saber el alumno para comprender y desarrollar la practica REPORTE DEL ALUMNO: Resultado de la practica según el alumno. BIBLIOGRAFIA: Libros o manuales donde se apoyo para la realización de esta

CUESTIONARIO 1.-Defina el concepto de un termistor 2- Clasifique los diferentes tipos de termistores 3-Indique atravez de una tabla los materiales con que se fabrican cada uno de los termistores 4-Atravez de una tabla indique los valores de los tipos de termistores 5-Brevemente explique el funcionamiento de un termistor ntc y un ptc 6-Exponga algunas de las aplicaciones donde se aplica el term istor ntc y ptc 7-Dibuje(2) circuitos de aplicación de un termistor ntc, y ptc 8-Exponga dos problemas resueltos de cada uno empleando termistores ntc y ptc 9-Dibuje el circuito equivalente de un termistor 10-Dibuje la curva característica del termistor en función de diferentes temperaturas 11-Investigue y grafique las graficas que relacionan corriente, voltaje y temperatura.

PRACTICA 6

EL

TRANSISTOR

OBJETIVO: Analizar y comprender los circuitos amplificadores con transistor en las configuraciones: Base – común en polarización fija, Emisor – común en división de voltaje Colector – común en auto polarización. INTRODUCCION:

CORRELACIÓN: Aplicación de transistores MATERIAL:       

Transistor 2N2222 NPN Resistencias comerciales según cálculos Voltaje de alimentación Vcc = 18v Voltaje de Entrada de acuerdo a requisitos Vac = 500 mVpp Rele 12v Foco

EQUIPO: Fuente de voltaje  Generador de funciones  Milímetro  Puntas atenuadas para osciloscopio  Bolsa de caimanes  Protoboard  Socket  Cable alimentación 

METODOLOGÍA: 1. Elaborar el circuito en base común de acuerdo a los cálculos obtenidos para que funcione como amplificador. 2. Medir las corrientes de entrada y salida, el voltaje atreves de la carga, el voltaje colector-base, emisorbase. 3. Grafique los resultados obtenidos a través del osciloscopio y vacíelos en una tabla que relacione los calculados y medidos con los aparatos (osciloscopio y Milímetro). 4. Introduzca atreves de un generador de señal una señal alterna de 500 mV pp, grafique la forma de onda resultante en el osciloscopio y superponga ambas señales y exprese el resultado. 5. Calcule y mida las ganancias de corriente, voltaje, resistencia y de potencia para CD y CA.

6. Arme el circuito indicado.

B

A

Transistores 2N2222

Figura 1 Circuito interruptor e inversor con transistores.

7. Conecte un generador de funciones que proporcione un pulso cuadrado de 10Vp de amplitud y una frecuencia de 30Hz en el punto A y el osciloscopio conéctelo en el punto B. 8. Grafique y mida la forma de onda de la señal de entrada en el punto A y salida en el punto B para cada frecuencia.

Grafica 1 Formas de onda de entrada y salida del circuito

9. Si la frecuencia de la señal de entrada se aumenta a 100Hz, grafique la nueva forma de onda con sus valores resultantes.

Grafica 2 Formas de onda de entrada y salida del circuito 10 De acuerdo a los resultados obtenidos en la figura 6.3 explique como le afecto la frecuencia a la señal de salida, que parámetros afecto. Explicación del alumno: 11 Calcule, mida, grafique y compruebe la ganancia en voltaje (Av) del circuito mostrado P

N

P

250mVpp

5KΩ

Circuito 2 Circuito AC para calculo de ganancia en voltaje

POLARIZACIONES DEL TRANSISTOR BIPOLAR

Circuito 3 Polarización Fija, Polarización real emisor, Polarización colector y polarización de tensión 1.- Diseñe cada uno de los circuitos indicados, como amplificador 2.- Arme el circuito y realice todas las medidas que marquen los amperímetros y voltímetros y vacié los datos en la tabla indicada la tabla.

Polarización fija: VALORES

Vcc = 12v

Vce

Vbe

Vrc

Vrb

Ib

Ic

Ie

TEÓRICO PRÁCTICO SIMULACIÓN Polarización con realimentación en el emisor: Vcc

Vce

Vbe

Vrc

TEÓRICO PRÁCTICO SIMULACIÓN Polarización con realimentación en el colector:

Vre

Vrb

Ib

Ic

Ie

Vcc

Vce

Vbe

Vrc

Vrb

Vr2

Ib

Vr2

I1-2

Ic

Ie

TEÓRICO PRÁCTICO SIMULACIÓN Polarización por divisor de tensión: Vcc

Vce

Vbe

Vrc

Vre

Vr1

Ib

Ic

Ie

TEÓRICO PRÁCTICO SIMULACIÓN TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN 1.- Diseña un circuito inversor para que active a un RELE y este a su vez a una lámpara alimentada con AC. 2.-Medir la potencia de salida, corriente de salida y verificar la conmutación del circuito y medir con el Vom (Digital o analógico) y osciloscopio.

SUGERENCIAS DIDÁCTICAS: REPORTE DEL ALUMNO: BIBLIOGRAFÍA

CUESTIONARIO 1. Dibuje un Transistor npn indicando las regiones n y p. A continuación polarice adecuadamente el transistor y explique como funciona. 2. Dibuje el conjunto de curvas de colector. Después, utilizando dichas curvas muestre las cuatro regiones de operación del transistor. 3. Dibuje un circuito de transistor con una conexión de emisor común. ¿Qué clase de fallos se pueden producir en un circuito como éste?¿qué medidas tomaría para aislar cada uno de ellos? 4. En un esquemático que contiene transistores npn y pnp, ¿Como identifica cada tipo? ¿Cuál es la dirección del flujo de electrones (o de la corriente convencional)? 5. Cite un instrumento de pruebas que pueda mostrar un conjunto de curvas de colector, Lc en función de Vce, para un transistor.

6. ¿Cuál es la formula de disipación de potencia de un transistor? Conociendo esa relación, ¿en qué lugar de la recta de carga es de esperar que la disipación de potencia sea máxima? 7. ¿Cuáles son las tres corrientes en un transistor? ¿ Como se relacionan? 8. Elabore un diagrama donde especifique todas las corrientes y sus respectivas direcciones de un transistor npn y pnp. 9. Los transistores pueden conectarse en cualquiera de las siguientes configuraciones: emisor común, colector común y base común. ¿Cuál es la configuración utilizada más frecuentemente? 10. Cuando se emplea un Voltímetro para detectar averías en un circuito de conmutación, ¿Cómo se puede saber si el transistor esta en saturación o corte?

PRACTICA

EL FET, MOSFET Y SUS APLICACIONES

7 OBJETIVO: Diseñar y Elaborar un circuito amplificador de Voltaje en Gate - común, Source – común, Drain común INTRODUCCION: CORRELACIÓN: MATERIAL: Transistor 2n4093 ó Transistor 2n4858  Resistencias comerciales según los cálculos  Voltaje de alimentación Vs = 18 v  Voltaje de entrada de acuerdo a requisitos 

EQUIPO: Fuente de voltaje  Generador de funciones  Multimetro  Puntas atenuadas para osciloscopio  Bolsa de caimanes  Protoboard 

METODOLOGÍA: 1. Elaborar el circuito en Gate común de acuerdo a los cálculos obtenidos para que funcione como amplificador. 2. Medir las corrientes de entrada y salida, el voltaje atravez de la carga, el voltaje source-base, drain-base.

3. Grafique los resultados obtenidos a través del osciloscopio y vacíelos en una tabla que relacione los calculados y medidos con los aparatos (osciloscopio y Multimetro). 4. Introduzca atravez de un generador de señal una señal alterna de 500 mV pp, grafique la forma de onda resultante en el osciloscopio y superponga ambas señales y exprese el resultado. 5. Calcule y mida las ganancias de corriente, voltaje, resistencia y de potencia para CD y CA. 6. Arme el circuito indicado.

a

b

Figura 1 circuitos auto polarizados (a) y con polarización fija (b) con FET. 7. Con los valores encontrados en el circuito Figura (a), calcule y mida los parámetros, dados en la tabla y exprese sus diferencias.

VG

VS

VGS

VD

ID

VDS

Medido Tabla 1 Calculado Parámetros del FET medidos y calculados. 8. Con los datos de la tabla 1 grafique la curva de Transferencia, y encuentre IDSS y Vp 9. Del circuito Figura (b), determine en base a su manual el valor máximo de la corriente IDSS y el valor de Vp. Parametros IDSS Vp 10. Con los valores encontrados en el circuito Figura (b), calcule y mida los parámetros, dados en la tabla y exprese sus diferencias

VG

VS

VGSQ

VD

IDQ

VDS

Medido Tabla 2 Calculado Parámetros del FET medidos y calculados.

Sugerencias didácticas: .Reporte del alumno: . Bibliografía:

CUESTIONARIO

1. Como funciona un JFET, incluya en su explicación la tensión de estrangulamiento y la tensión de corte puerta-fuente. 2. Dibuje las curvas de drenado y la curva de transconductacia de un JFET. 3. Compare el transistor JFET con el BJT. Incluya ventajas y desventajas de cada uno de ellos. 4. ¿Como puede saber si un FET esta trabajando en la region ohmica o en la region activa? 5. Dibuje un seguidor de fuenta JFEt y explique como funciona: 6. Dibuje un conmutador paralelo JFET y explique como funciona: 7. Dibuje un conmutador serie JFET y explique como funciona: 8. ¿Como puede utilizarce el JFET en un conmutador de electricidad estatica? 9. Un JFET es un dispositivo que controla el flujo de corriente aplicando una tension a la puerta. Explique esta afirmacion: 10. Vetaja de un amplificador cascodo:

PRACTICA

DISPOSITIVOS

OPTICOS

FOTOEMISORES

8

OBJETIVO: Analice y determine el comportamiento de la curva características de una fotorresistencia a diferentes distancias de luminosidad aplicadas. INTRODUCCIÓN: El alumno desarrollara la investigación requerida para realización de la práctica. CORRELACIÓN CON EL TEMA O SUBTEMA DEL PROGRAMA: MATERIAL: 1 Fotorresistencias 1 Resistencias de 10K, de ½ a 1 w 1 Resistencias de 1.5K de ½ a 1 w 2 Led Papel de colores EQUIPO: Fuente de voltaje de 12VDC Fuente de luz blanca y de colores Motor de DC

DESARROLLO DE LA METODOLOGIA: 1. Investigue y construya el circuito para obtener la curva característica de una fotorresistencia “LDR”. 2.

Aplique luz blanca a la fotorresistencia de acuerdo a los valores indicados en la tabla No. 1. Distancias (Cm) Iluminación Lux o Lumen ( foco)

5

10

15

20

25

30

35

40

Valor Ohmico Valor de Voltaje Magnitud de corriente

TABLA No. 1 Valores característicos de I, V y Ω

3.- Con los valores indicados en la Tabla No. 1, obtener la curva característica de la fotorresistencia.

Ω

Fig. 2 Curva característica de la fotorresistencia.

Luz

4.- Repita el inciso 2, ahora con incidencia de luz de distintos colores, a una distancia de 10Cm, de acuerdo al circuito y vacié los datos en la tabla No. 2

LUZ Papel A

12V

Azul Papel Celofán color Fuente de luz Corriente (mA)

Rojo

Verde

Amarillo

Voltaje ( V ) Tabla No. 2 valores característicos de la fotorresistencia a distintos colores 5.- Diseñe y compruebe el funcionamiento de un circuito regulador de voltaje con: Fotorresistencia dependiente de la luz,.  Fotorresistencia no dependiente de la luz,  Convertidor de luz a tiempo con fotorresistencia, determine y grafique la señal de salida  con su frecuencia. Nota: * Vdc = 12V * Resistencias según valor calculado. 6.. Diseñe una compuerta lógica AND, OR con fotorresistencias: + Vdc = 10V, + Led color al gusto. + Resistencias según cálculo. + Obtenga los valores resultantes de voltaje + Compruebe su tabla de verdad, a través del prendido y apagado del Led. 7.- Diseñe, construya y compruebe un circuito que controle la velocidad de un motor de DC empleando fotorresistencia, transistor, led, etc. SUGERENCIAS DIDACTICAS: Que necesita saber el alumno para comprender y desarrollar la practica REPORTE DEL ALUMNO: Resultado de la practica según el alumno. BIBLIOGRAFIA: Libros o manuales donde se apoyo para la realización de esta .

CUESTIONARIO

1.- Explique brevemente el funcionamiento de una fotorresistencia. 2.- ¿Cuales son los materiales que se utilizan en la fabricación de fotorresistencias dentro del espectro visible? 3.- ¿Cuales son los materiales que se utilizan en la fabricación de fotorresistencias dentro del espectro infrarrojo? 4.- Explique el funcionamiento de una fotorresistencia. 5.- Dibuje el símbolo de una fotorresistencia así como la respuesta espectral de las fotorresistencias más comunes empleadas. 6.- ¿Cómo responde una fotorresistencia a diferentes colores de luz y porqué? 7.- Describa la ecuación que determina el valor ohmico de una fotorresistencia cuando esta es iluminada.

8.-Dibuje con colores el espectro electromagnético. 8.-¿Que pasaría con la velocidad del motor si se cambia de luz blanca a roja, a verde, a amarillo? ¿Explique lo que se este obteniendo? 9.- Que potencia disiparía la fotorresistencia a máxima velocidad del motor. 10.- Cuales son los rangos de valores ohmicos que posee una fotorresistencia. 11.- Cuales son los materiales en que se fabrican las fotorresistencias para que estas respondan en el rango del infrarrojo. 12.- Cuales son los valores de las bandas prohibidas de las fotorresistencias más empleadas y que efecto tienen estas bandas sobre el funcionamiento del elemento. 13.- en que consiste el efecto de la fotoconductividad. 14.- Cuales son los parámetros principales que posee una fotorresistencia. 15.- mencione y describa cada uno de las pruebas a que son sometidas cada una de las fotorresistencias en una industria.. 16.- Brevemente explique ¿es lo mismo fotorresistencia que celda fotoconductora? 17.-Nombre los tipos de fotorresistencias con sus valores de longitudes de onda y energía de las bandas prohibidas para la parte visible e infrarroja.

PRACTICA

DISPOSITIVOS

OPTICOS

(FOTOEMISORES – FOTORECEPTORES)

9

OBJETIVO: Que el alumno aplique los conocimientos, elaborando circuitos con dispositivos optoelectrónicas y compruebe su funcionamiento. INTRODUCCIÓN: El alumno desarrollara la investigación requerida para realización de la práctica. CORRELACIÓN CON EL TEMA O SUBTEMA DEL PROGRAMA: MATERIAL: el alumno indicara los materiales que empleara para el desarrollo de cada uno de los Circuitos

EQUIPO: Fuente de voltaje VDC variable. Fuente de luz blanca y de colores Osciloscopio Puntas Multimetro

DESARROLLO DE LA METODOLOGIA: 3. Investigue y construya los circuitos de las compuertas lógicas de 2 entradas (con su tabla de verdad) con fototransistores, diodos y led como indicador y compruebe cada una de ellas, con valores digitales y analógicos. a) AND b) OR c) NAND d) NOR 4.-

Repita el punto 3 pero utilizando como carga un motor de DC, aquí mida la corriente que emplea el motor Para girar

5.- Construya un circuito de Switcheo con fototransistores, Resistencias y Led, y cual aplique un pulso cuya frecuencia varié de 50KHZ, 250KHZ y 500KHZ. a) Mida el valor de la corriente de salida para cada caso b) Grafique y mida l a forma de onda resultante de salida para cada caso, con sus valores de voltaje

Practica de Fisica de Semiconductores

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