laboratorio 1 semiconductores

Servicio Nacional de Aprendizaje SENA CALI. Utilizar Variables Físicas y Matemáticas en la Solución de Problemas.

(-)

LABORATORIO DECIRCUITOS

Practica #1

Dispositivos semiconductores

RESUMEN: Con el desarrollo de ésta práctica se pretende conocer el funcionamiento y las principales aplicaciones de los semiconductores. Se espera que el aprendiz sea capaz de identificar las terminales de distintos tipos de diodos, así como las características técnicas de cada uno de estos. Así como la manera correcta de polarización para que estos dispositivos hagan el trabajo en el circuito.

Palabras Claves:

Diodos

Semiconductores

ABSTRACT: With the development of this practice is intended to know the operation and main applications of semiconductors. It is expected that the apprentice be able to identify the terminals of different types of diodes, as well as techniques characteristics of each of these. Just as the right way to polarization for these devices do work in the circuit.

KEY WORDS:

Semiconductors

Diodes

INTRODUCCIÓN El desarrollo de la electrónica desde sus dispositivos más sencillos como los diodos y transistores, hasta los circuitos integrados que pueden contener millones de elementos en un área muy pequeña se ha producido gracias a la capacidad de manipular los denominados materiales semiconductores, los cuales poseen propiedades intermedias entre los conductores y los materiales aislantes. El tipo más simple dedispositivo constituido como un semiconductor es el diodo que desempeña un papelimportante en los sistemas electrónicos; Con sus características que son muy similares a lade un interruptor, aparece en una amplia variedad de aplicaciones que van desde las mássencillas a las más complejas. El diodo semiconductor se forma uniendo un material tipo P con uno tipo N, construidosde la misma base: germanio (Ge) o silicio (Si), mediante técnicas especiales. En elmomento en que son unidos los dos materiales, los electrones y los huecos en la región dela unión se combinan, dando por resultado una falta de portadores en la región cercana ala unión. A esta

región de iones positivos y negativos descubiertos se le llama región de agotamiento o de empobrecimiento, o barrera de unión, debido a la disminución de portadores en ella. En esta actividad se realizará la adecuada presentación de una serie de circuitos donde se partirá de un circuito básico que permite conocer el tipo de polarización del diodo, tanto de germanio y silicio, y posteriormente se irán haciendo múltiples cambios para ver sus características en diferentes configuraciones y se verá el comportamiento en diferentes valores de voltaje y posteriormente se concluirá.

DESARROLLO EXPERIMENTAL

Experimento 1 Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. Estos terminales son el ánodo (A) y el cátodo (K) los cuales son positivo y negativo respectivamente. A continuación se hace la ilustración de una serie de diodos con los cuales se hizo el desarrollo de la práctica y se mostrará sus símbolos y formas físicas así como la identificación de sus terminales.

LED

1N4004

(Si)

1N739A

(Zener)

(+)

La aplicación de un voltaje a través de los terminales de un diodo permite tres posiblespolarizaciones: Sin polarización (VD= 0); Polarización directa (VD>0) y Polarización inversa (VD<0) Un diodo semiconductor tiene polarización inversa cuando se asocia el material tipo P aun potencial negativo y el material tipo N a un potencial positivo.

Servicio Nacional de Aprendizaje SENA CALI. Utilizar Variables Físicas y Matemáticas en la Solución de Problemas. La polarización directa se da cuando se aplica un voltaje positivo al material tipo P y unpotencial negativo al material tipo N.

Experimento 2

Primer montaje

Datos Prácticos Los datos prácticos fueron tomados en el espacio del laboratorio y fueron registrados en la tabla 1. Con ésta práctica se pudo corroborar el comportamiento teórico del diodo de silicio.

Medición de Voltaje

Medición de corriente

Tabla 1

VD 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,78 V

ID 0 0 0 0 0 0 0 95.3 mA

Datos simulados

Estos datos fueron tomados del simulador Proteus y fueron registrados en la tabla 2.

Medición de voltaje y corriente a 0V

Medición de voltaje y corriente a 0,4V


Tabla 2

VD 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,79 V

ID 0 0 0 0 0 0 0 97.6 mA

Segundo montaje


Datos Teóricos Cuando se cambia la polaridad al diodo éste queda en polarización inversa y por lo tanto no existe un flujo de corriente, y la tensión que hay en sus terminales es la tensión entregada por la fuente.

= Datos simulados Con la simulación del circuito queda demostrado lo mencionado anteriormente, un diodo polarizado en inversa no permite el paso de corriente, entonces es por ello que se dice que se comporta como un circuito abierto. Los datos obtenidos se registraron en la tabla X.




Tabla 3

VD 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 V

ID 0 0 0 0 0 0 0 0 mA

Tercer montaje

Datos Teóricos

− + + = 0 − + + ∗ = 0

−0,1 + 0,1 + ∗ 1000 = 0

=0

1000

De 0,1v hasta 0,7v la corriente va ser 0, ya que el diodo no ha alcanzado su voltaje de conducción.

−0,8 + 0,7 + ∗ 1000 = 0 −0,1 + ∗ 1000 = 0

∗ 1000 = 0,1

=0,1

1000

= 0,1 Una vez la tensión es mayor de 0,7v el diodo se encuentra excitado, y logra darle paso a la corriente. Puesto que el diodo es de silicio idealmente se mantendrá una tensión de 0,7v en el mismo.

Tabla 4

VD 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,7 V

ID 0 0 0 0 0 0 0 0,1 mA

Datos Prácticos Los datos prácticos fueron tomados en el espacio del laboratorio y fueron registrados en la tabla 5. Con ésta práctica

Servicio Nacional de Aprendizaje SENA CALI. Utilizar Variables Físicas y Matemáticas en la Solución de Problemas. se pudo corroborar el comportamiento teórico del diodo de silicio junto a una carga (RL).

Tabla 5

VD 0,1 0,2 0,3 0,410 0,461 0,493 0,513 0,523 V

ID 0 0 0 0.02 0,03 0,10 0,18 0,27 mA

Estos datos distan de los teóricos ya que las condiciones físicas del elemento que se trabajó (1N4004) no mantiene el voltaje ideal de los diodos. Datos simulados




Tabla 6

VD 0,1 0,2 0,3 0,4 0,48 0,52 0,54 0,56 V

ID 0 0 0 0 0,02 0,08 0,16 0,24 mA

Estos valores con respecto a los datos prácticos no son tan distantes gracias a que el simulador aproxima mucho a las condiciones físicas del comportamiento de los elementos.

Cuarto montaje

Datos Teóricos − + + = 0

− + + ∗ = 0 −1,8 + 1,8 + ∗ 1000 = 0

=0

1000

Desde 0,1v hasta 1,8v la corriente va ser 0, por lo tanto el diodo no conduce y en consecuencia no da iluminación.

−1,9 + 1,8 + ∗ 1000 = 0 −0,1 + ∗ 1000 = 0

∗ 1000 = 0,1

=0,1

1000

= 0,1 En este caso cuando la tensión es mayor de 1,8v el diodo se encuentra excitado, y permite dar paso de corriente y producirá iluminación. Datos Prácticos

Medición de voltaje a 0,1V





Tabla 7

VD 0 0,7 0,8 1,2 1,61 1,85 2,15 2,39 V

ID 0 0 0,01 0,01 0,04 0,07 0,23 1 mA

Datos simulados





Tabla 8

VD 0 0,4 0,8 1,2 1,59 1,98 2,18 V

ID 0 0 0,01 0,01 0,03 0,11 1 mA

Quinto montaje

Datos Teóricos Cuando se cambia la polaridad al diodo éste queda en polarización inversa y por lo tanto no existe un flujo de corriente, y la tensión que hay en sus terminales es la tensión entregada por la fuente.

=

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Tabla 9

VD 0 0,4 0,8 1,2 1,6 1,99 2,39 V

ID 0 0 0 0,01 0,02 0,03 0,04 mA

Según esta simulación se puede apreciar que después de un valor “alto” de voltaje comienza a fluctuar una corriente sin embargo ésta corriente es despreciable.

Sexto montaje

Datos Teóricos

Tabla 10

R KΩ 10 8 6 4 2 1 0,5

Id mA 0,66 0,8 1 1,46 2,43 3,65 4,86

−1 + + + = 0

−1 + + ∗ + ∗ = 0

=1 −

( + )

Resistencia a 10KΩ

−8 + 0,7 + ∗ 1Ω + ∗ 10Ω = 0

=8 − 0,7

(1 + 10)

= 0,66 Resistencia a 8KΩ

−8 + 0,7 + ∗ 1Ω + ∗ 10Ω = 0

=8 − 0,7

(1 + 8)


−8 + 0,7 + ∗ 1Ω + ∗ 10Ω = 0

=8 − 0,7

(1 + 6)


−8 + 0,7 + ∗ 1Ω + ∗ 10Ω = 0

=8 − 0,7

(1 + 4)


−8 + 0,7 + ∗ 1Ω + ∗ 10Ω = 0

=8 − 0,7

(1 + 2)


−8 + 0,7 + ∗ 1Ω + ∗ 10Ω = 0

=8 − 0,7

(1 + 1)

= 3,65 Resistencia a 0,5KΩ

−8 + 0,7 + ∗ 1Ω + ∗ 10Ω = 0

=8 − 0,7

(1 + 0,5)

= 4,86

Experimento 3


Datos Teóricos

−1 + ! + = 0 −1 + ! + ∗ = 0

=1 − !

Rz=

"#

$%

Para valores desde 1v hasta 9v la corriente siempre va ser 0 y por ende la Rz no puede ser calculada

−15 + 15 + ∗ 1Ω = 0

=15 − 15

1Ω

= 0 Para valores mayores a 9v el Zener entra en conducción y este toma el valor del voltaje Zener que es de 9v. Y ahora sí la Rz puede ser calculada.

−15 + 9 + ∗ 1Ω = 0

=15 − 9

1Ω

= 6

Rz=&'

()*

Rz= 2Ω

Tabla 11

V 1 2 4 6 8 10 15

Id mA 0 0 0 0 0 0 6

Datos Prácticos

VF VAB ID (mA) RZ 0 0 0 2 2,07 0 6 6,11 0 7 7,13 0 9 9,20 0,14 64,28 10 9,27 4,37 2,12 11 9,32 9,49 0,98 12 9,33 13,71 0,68 13 9,39 19,1 0,5 14 9,45 24,8 0,38 15 9,5 29 0,33

Datos simulados








Tabla 12

V 1 2 7 9 10 15

Id mA 0 0 0 0,05 0,98 5,91

Experimento 4

Datos Prácticos





Datos simulados






Datos Teóricos

V 0,1 0,2 0,4 0,6 0,7 0,8

Id mA 0 0 0 0 0 0,1

−1 + ! + = 0

−1 + ! + ∗ = 0

=1 − !

Valores desde 0,1 hasta 0,7 la corriente Siempre va ser 0 ya que el diodo zener polarizado en directa se va a comportar como un diodo normal.

−15 + 15 + ∗ 1Ω = 0

=0,7 − 0,7

1Ω

= 0 Valores mayores a 0,7v ya el zener conduce la corriente y este toma el valor del voltaje 0,7v

−0,8 + 0,7 + ∗ 1Ω = 0

=0,8 − 0,7

1Ω

= 0,1

Experimento 5

Datos Prácticos Los datos prácticos fueron tomados haciendo incrementos desde un valor bajo de frecuencia y se fue aumentando paulatinamente y se tomó el siguiente registro fotográfico:


Al ir incrementando la frecuencia en el circuito, se puede observar como el diodo rectifica la señal positiva, al estar en polarización directa; sin embargo al llegar a determinada frecuencia el diodo ya no cumple con la función deseada debido a que sobre pasa las características que el fabricante especifica.

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Cuestionario 1. Materiales Semiconductores Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. El semiconductor más utilizado es el silicio, que es el elemento más abundante en la naturaleza, después del oxígeno. Otros semiconductores son el germanio y el selenio.

a. Material semiconductor intrínseco Un semiconductor cristalino y sin impurezas ni defectos en su red se denomina intrínseco. A 0 K su BV está llena de electrones, su BC está vacía y su Eg < 2eV. A temperatura de 0 K es un aislante. Al crecer la temperatura la agitación térmica rompe algunos enlaces que quedan incompletos. Cada

enlace roto crea un par de portadores, electrón y hueco. El semiconductor se transforma en un débil conductor. Los electrones liberados suben a la BC y se mueven por toda la red cristalina. Los enlaces incompletos, con un solo electrón, denominados huecos, h+, se mueven en la BV en el sentido de que el enlace roto se va intercambiando entre enlaces de átomos adyacentes.

b. Material semiconductor extrínseco Los semiconductores extrínsecos se forman añadiendo pequeñas cantidades de impurezas a los semiconductores puros. El objetivo es modificar su comportamiento eléctrico al alterar la densidad de portadores de carga libres. Estas impurezas se llaman dopantes. Así, podemos hablar de semiconductores dopados. En función del tipo de dopante, obtendremos semiconductores dopados tipo p o tipo n.

2. Tipos de polarización de un diodo Los diodos son dispositivos semiconductores el cual se pueden polarizar de dos maneras diferentes las cuales son la inversa o la directa. a. Polarización directa 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) que ya sugiere el símbolo del diodo.

b. Polarización inversa El diodo está en polarización inversa cuando el terminal cátodo tiene polaridad positiva con respecto al terminal ánodo; en este caso, el diodo no permite el paso de la corriente y se comporta como un aislante. Pero si se supera un cierto valor de tensión, entonces se produce un efecto de conducción brusca que puede deteriorar el diodo.

Servicio Nacional de Aprendizaje SENA CALI. Utilizar Variables Físicas y Matemáticas en la Solución de Problemas. 3. Cuál es la importancia de los semiconductores La importancia de los semiconductores es que tiene diversas aplicaciones en el desarrollo técnico de diferentes dispositivos electrónicos; ya que este representa un cambio al avance científico y tecnológico, impactando nuestra sociedad, este lo podemos observar en el desarrollo de los transistores; ya que es un semiconductor y hoy en día es el elemento más importante de la electrónica, estos son utilizados por la mayoría de dispositivos eléctricos o electrónicos que puedan existir; por ejemplo las computadoras los radios y la televisión etc.

4. Mencione tres ventajas de los dispositivos semiconductores.

a. Caídas de tensión directas muy pequeñas, b. Trabaja con frecuencias elevadas, c. necesita menores tiempos de recuperación, d. pueden bloquear varios kV y conducir varios kA.

5. Explique qué pasa si se aumenta el voltaje de polarización inversa a un diodo semiconductor y se tiene una sobrecarga. El diodo al ser polarizado en inversa tiene un valor de tensión establecido por el fabricante, este tiene una zona de ruptura; si se incrementa la tensión esta puede destruir el diodo dejándolo inservible.

“Curva característica típica de un diodo en polarización inversa; no conduce (pero si se sobrepasa cierto valor de tensión, se inicia una conducción que puede llegar a destruir el diodo.”

6. Cuatro tipos de diodos y describa el funcionamie nto brevemente.

DIODO VARACTOR El diodo varactor también conocido como diodo varicap o diodo de sintonía. Es un dispositivo semiconductor que trabaja polarizado inversamente y actúan como condensadores variables controlados por voltaje. Esta característica los hace muy útiles como elementos de sintonía en receptores de radio y televisión. Son también muy empleados en osciladores,

multiplicadores, amplificadores, generadores de FM y otros circuitos de alta frecuencia. Una variante de los mismos son los diodos SNAP, empleados en aplicaciones de UHF y microondas.

DIODO EMISOR DE LUZ (LED’s) Es un diodo que entrega luz al aplicársele un determinado voltaje. Cuando esto sucede, ocurre una recombinación de huecos y electrones cerca de la unión NP; si este se ha polarizado directamente la luz que emiten puede ser roja, ámbar, amarilla, verde o azul dependiendo de su composición.

DIODO LÁSER Los diodos láser, también conocidos como láseres de inyección o ILD’s. Son LED’s que emiten una luz monocromática, generalmente roja o infrarroja, fuertemente concentrada, enfocada, coherente y potente. Son muy utilizados en computadoras y sistemas de audio y video para leer discos compactos (CD’s) que contienen datos, música, películas, etc., así como en sistemas de comunicaciones para enviar información a través de cables de fibra óptica. También se emplean en marcadores luminosos, lectores de códigos de barras y otras muchas aplicaciones.

DIODO TÚNEL Los diodos túnel, también conocidos como diodos Esaki. Se caracterizan por poseer una zona de agotamiento extremadamente delgada y tener en su curva una región de resistencia negativa donde la corriente disminuye a medida que aumenta el voltaje. Esta última propiedad los hace muy útiles como detectores, amplificadores, osciladores, multiplicadores, interruptores, etc.,

7. Describa el comportamiento de un diodo ideal Si el diodo es de Si, sabemos que Vy = 0,7 V (0,2 V si fuese de Ge). Por tanto, si las tensiones con las que trabajamos en el circuito son muy superiores a este valor, podremos despreciar estos 0,7 V sin cometer un gran error. La cuarta aproximación, conocida como diodo ideal, surge al despreciar Vy.


8. Explique cómo afecta la temperatura a un materia l semiconductor.

a. La corriente de perdida inversa b. La Caída de tensión directa

9. Explique que es la región ZENER La región zener se encuentra polarizado en inversa y se encuentra en la zona de ruptura esto hace que funciona como un regulador

10. ¿Qué es resistencia estática y resistencia diná mica?

Resistencia en DC o estática La aplicación de una tensión de corriente continua a un circuito que contiene un diodo tendrá como resultado un punto de operación sobre la curva característica que no cambia con el tiempo. La resistencia del diodo puede encontrarse localizando los niveles de VD e ID como se muestra en la figura y aplicando la fórmula Rd=Vd/Id Resistencia en AC o dinámica Si se aplica una tensión senoidal en lugar de una continua, la situación cambia por completo. La tensión variable desplaza de manera instantánea el punto de operación hacia arriba y hacia abajo en una región de las características y, por tanto, define un cambio específico en intensidad y tensión. 11. Describa la electroluminiscencia en un LED La Electroluminiscencia es la emisión de luz por parte de un material cuando es sometido a la aplicación de un voltaje. La estructura básica de un Dispositivo Electroluminiscente, OLED (diodo orgánico emisor de luz), consiste en una o más capas orgánicas semiconductoras situadas entre dos electrodos. Estos materiales orgánicos pueden ser, o bien polímeros, o bien moléculas de pequeño tamaño. Por otro lado, el electrodo negativo, cátodo, está constituido por un metal o aleación de metales, mientras que el ánodo o electrodo positivo es un conductor ópticamente transparente, de forma que la luz generada por el dispositivo pueda detectarse a través de su superficie. 12. Cuáles son las diferencias entre un diodo de ge rmanio y un diodo de silicio En las curvas características podemos observar las diferentes diferencias que estos dios tienes una de ellas son que el diodo de silicio en polarización directa actúa a un voltaje mayor que el diodo de germanio también sabemos que el diodo de germanio aguanta mayores frecuencias frente al diodo de silicio entre otras.

13. Explique la respuesta de conducción de corrient e de un semiconductor sujeto a frecuencias altas. El semiconductor al tomar altas frecuencias deja de actuar como un rectificador tomando de nuevo la forma de la honda dependiendo el tipo de semiconductor así mismo aguanta diferente frecuencias. Webgrafía

• http://www.etitudela.com/Electrotecnia/downloads/introduccion.pdf

• http://www.uv.es/candid/docencia/ed_tema-02.pdf • http://www.marcombo.com/Descargas/978842671532

6-%20PRINCIPIOS%20DE%20ELECTRICIDAD%20Y%20ELECTRONICA.%20TOMO%205/EXTRACTO%20DEL%20LIBRO.pdf

• http://www4.ujaen.es/~egimenez/FUNDAMENTOSFISICOS/semiconductores.pdf

• http://www.uv.es/~esanchis/cef/pdf/Filminas/FilA1.PDF

• http://roble.pntic.mec.es/jlop0164/archivos/diodo.pdf

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