Polarización de un diodo
Carrera:
Ing. en Energía
Curso:
Electrónica general
Profesor:
Ing. Huacccha Salazar Ever
Alumnos: Andamato Pacheco Jorge.
Retamozo Molina Vilma.
Sosa Diaz Yhonatan.
Marco teórico
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. Este término generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor
Diodo semiconductor
Un diodo semiconductor moderno está hecho de cristal semiconductor como el silicio con impurezas en él para crear una región que contiene portadores de carga negativos (electrones), llamado semiconductor de tipo n, y una región en el otro lado que contiene portadores de carga positiva (huecos), llamado semiconductor tipo p. Las terminales del diodo se unen a cada región. El límite dentro del cristal de estas dos regiones, llamado una unión PN, es donde la importancia del diodo toma su lugar. El cristal conduce una corriente de electrones del lado n (llamado cátodo), pero no en la dirección opuesta; es decir, cuando una corriente convencional fluye del ánodo al cátodo (opuesto al flujo de los electrones).
Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p (Je). Al establecerse una corriente de difusión, estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe el nombre de región de agotamiento. A medida que progresa el proceso de difusión, la región de agotamiento va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.
Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (VD) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V para los cristales de germanio.
La anchura de la región de agotamiento una vez alcanzado el equilibrio, suele ser del orden de 0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor.
Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa.
Polarización directa de un diodo
En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad.
Para que un diodo esté polarizado directamente, se debe conectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos observar que:
El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n.
El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.
Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n.
Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería.
De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final.
Polarización inversa de un diodo
En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación:
El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de valencia, ver semiconductor y átomo) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos.
El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos.
Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería.
En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco (ver semiconductor) a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μA) denominada corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fuga es despreciable.
Curva característica del diodo
Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ ).
La tensión umbral (también llamada barrera de potencial) de polarización directa coincide en valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodo no polarizado. Al polarizar directamente el diodo, la barrera de potencial inicial se va reduciendo, incrementando la corriente ligeramente, alrededor del 1% de la nominal. Sin embargo, cuando la tensión externa supera la tensión umbral, la barrera de potencial desaparece, de forma que para pequeños incrementos de tensión se producen grandes variaciones de la intensidad de corriente.
Corriente máxima (Imax ).
Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto Joule. Dado que es función de la cantidad de calor que puede disipar el diodo, depende sobre todo del diseño del mismo.
Corriente inversa de saturación (Is ).
Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica por cada incremento de 10º en la temperatura.
Corriente superficial de fugas.
Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo (ver polarización inversa), esta corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial de fugas.
Tensión de ruptura (Vr ).
Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha.
Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente inversa de saturación; en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, en el diodo normal o de unión abrupta la ruptura se debe al efecto avalancha; no obstante hay otro tipo de diodos, como los Zener, en los que la ruptura puede deberse a dos efectos:
Efecto avalancha (diodos poco dopados). En polarización inversa se generan pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la tensión inversa es elevada los electrones se aceleran incrementando su energía cinética de forma que al chocar con electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de conducción. Estos electrones liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión, chocando con más electrones de valencia y liberándolos a su vez. El resultado es una avalancha de electrones que provoca una corriente grande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a 6 V.
Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material, menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E puede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d; cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el campo eléctrico será grande, del orden de 3·105 V/cm. En estas condiciones, el propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia incrementándose la corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V o menores.
Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos especiales, como los Zener, se puede producir por ambos efectos.
Experiencia en el laboratorio
Objetivos:
Analizar el funcionamiento de un diodo.
Materiales Utilizados.
Una fuente de alimentación regulada Un diodo 1N4007
Un diodo LED Verde y Un diodo LED Rojo
Trabajo previo
Investigar todos los datos que sean necesarios para llevar a cabo la práctica, tales como límites de voltaje y corriente del mismo de todos los componentes, configuración de conexiones, etc.
Realizar los cálculos teóricos necesarios para determinar los voltajes y corriente en el circuito a realizar.
Tomar nota de los Instrumentos utilizados.
Verificar con el multimetro el buen estado del diodo 1N4007 y los diodos LED. Valores de las Resistencias.
Procedimiento.
Paso 1
Colocar la resistencia de 100 Ω
Ajustar la fuente de alimentación V a 12 voltios tensión continua
Tomar la medición de voltaje y la corriente en el diodo y llenar en la tabla 1. Repetir con los diversos valores de la fuente hasta completar los valores de la
tabla 1.
DATOS SIMULADOS DATOS MEDIDOS
DIODO 1N4007 R= 100 Ω DIODO 1N4007 R= 99 Ω FUENTE V VOLTAJE DEL DIODO CORRIENTE DEL DIODO FUENTE V VOLTAJE DEL DIODO (V) CORRIENTE DEL DIODO (A) 12 784.358 mV 112.156 mA 12.09 0.807 0.12897 11 779.127 mV 102.208 mA 11 0.793 0.11793 10 773.407 mV 92.226 mA 10 0.78 0.1078 9 767.087 mV 82.329 mA 9 0.776 0.09776 8 760.013 mV 72.4 mA 8 0.774 0.08774 7 751.966 mV 62.481 mA 7 0.767 0.07767 6 742.611 mV 52.574 mA 6 0.763 0.06763 5 731.41 mV 42.686 mA 5 0.754 0.05754 4 717.401 mV 32.826 mA 4 0.744 0.04744 3 698.611 mV 23.014 mA 3 0.73 0.0373 2 669.836 mV 13.302 mA 2 0.706 0.02706 1 606.439 mV 3.936 mA 1 0.991 0.01991 0.9 499.611 mV 3.065 mA 0.9 0.804 0.01704 0.8 576.985 mV 2.23 mA 0.8 0.794 0.01594 0.7 554.766 mV 1.452 mA 0.7 0.669 0.01369 0.6 522.350 mV 776.504 uA 0.6 0.497 0.01097 0.5 471.138 mV 288.623 uA 0.5 0.497 0.00997 -0.5 (-) 499.997 mV (-) 32.485 nA -0.5 -0.498 -0.00998 -1 (-) 999.997 mV (-) 32.987 nA -1 -1.02 -0.0202 -2 (-) 2 V (-) 33.988 nA -2 -2.03 -0.0403
Paso 2.
En el mismo circuito reemplazar la resistencia de 100 Ω por una resistencia de 1K Ω
Ajustar la fuente de alimentación V a 12 voltios tensión continua.
Tomar la medición de voltaje y la corriente en el diodo y llenar la tabla 2.
Repetir con los diversos valores de fuente de alimentación hasta completar los valores de la tabla 2
DATOS SIMULADOS DATOS MEDIDOS
DIODO 1N4007 R= 1 KΩ DIODO 1N4007 R= 966Ω FUENTE V VOLTAJE DEL DIODO CORRIENTE DEL DIODO FUENTE V VOLTAJE DEL DIODO CORRIENTE DEL DIODO (mA) 12 661.495 mV 11.340 mA 12.1 0.7 V 12.8 11 656.700 mV 10. 344 mA 11.01 0.695 V 11.705 10 651.427 mV 9.349 mA 10.02 0.689 V 10.709 9 645.568 mV 8.356 mA 9.05 0.685 V 9.735 8 638.977 mV 7.362 mA 8.01 0.677 V 8.687 7 631.443 mV 6.639 mA 7 0.671 7.671 6 622.650 mV 5.378 mA 6.03 0.663 6.693 5 612.089 mV 4.388 mA 5.1 0.653 5.753 4 598.869 mV 3.401 mA 4.07 0.641 4.711 3 581.190 mV 2.419 mA 3.02 0.623 3.643 2 554.523 mV 1.446 mA 2.01 0.595 2.605 1 499.611 mV 500.45 uA 1.01 0.536 1.546 0.9 489.381 mV 410.671 uA 0.89 0.521 1.411 0.8 476.968 mV 323.075 uA 0.81 0.511 1.321 0.7 461.313 mV 238.698 mA 0.69 0.487 1.177 0.6 440.472 mV 159.539 uA 0.61 0.467 1.077 0.5 410.550 mV 89.456 uA 0.5 0.46 0.96 -0.5 (-) 499.968 mV (-) 32.485 nA -0.51 -0.4659 -0.9759 -1 (-) 999.967 mV (-) 32.987 nA -1 -1.02 -2.02 -2 (-) 2 V (-) 33.99 nA -2 -2.02 -4.02
2.- Montar en el Proto Board el siguiente circuito. LED1 = LED Verde. Ajustar la fuente de alimentación Va 12 voltios tensión continua
Tomar la medición de voltaje y la corriente en el diodo y llenar en la tabla 3. Repetir con los diversos valores de fuente de alimentación hasta completar los
DATOS SIMULADOS DATOS MEDIDOS DIODO LED VERDE R= 470 Ω DIODO LED VERDE R= 467Ω FUENTE V VOLTAJE DEL DIODO CORRIENTE DEL DIODO FUENTE V VOLTAJE DEL DIODO (V) CORRIENTE DEL DIODO (A)
12 2.134 V 20.991 m A 12.04 2.243 0.030584582 11 2.125 V 18.881 mA 11.03 2.07 0.028344754 10 2.116 V 16.773 mA 10.02 2.178 0.026226981 9 2.106 V 14.667 mA 9.07 2.147 0.024019272 8 2.094 V 12.556 mA 0.02 2.108 0.021687366 7 2.080 V 10.468 mA 7.05 2.074 0.019537473 6 2.062 V 8.378 mA 6.02 2.44 0.017267666 5 2.040 V 6.298 mA 5.02 2.07 0.015047109 4 2.009 V 4.236 mA 40.7 1.961 0.012914347 3 1.959 V 2.216 mA 3.09 1.917 0.010721627 2 1.821 V 379.799 uA 2.03 1.821 0.008246253 1 999.995 mV 10.825 nA 1 1.009 0.004301927 0.9 899.998 mV 3.617 nA 0.91 897 0.003869379 0.8 799.999 mV 1.552 nA 0.813 814 0.003477516 0.7 700 mV 908.178 pA 0.741 696 0.002970021 0.6 600 mV 657.993 pA 0.6 599 0.002567452 0.5 500 mV 516.32 pA 0.506 505 0.002164882 -0.5 (-) 500 mV (-) 500517 pA 0.507 (-) 506 -0.002169165 -1 (-) 1000 mV (-) 1.001 nA -1 (-) 1.008 -0.004299786 -2 (-) 2 V (-) 2.002 nA -2.04 (-) 2.03 -0.008715203
3.- Montar en el Froto Board el siguiente circuito. LED1 = LED Rojo. Ajustar la fuente de alimentación V a 12 voltios tensión continua.
Tomar la medición de voltaje y la corriente en el diodo y llenar en la tabla 4. Repetir con los diversos valores de fuente de alimentación hasta completar los
DATOS SIMULADOS DATOS MEDIDOS DIODO LED ROJO R= 470 Ω DIODO LED ROJO R= 467 Ω FUENTE V VOLTAJE DEL DIODO CORRIENTE DEL DIODO FUENTE V VOLTAJE DEL DIODO CORRIENTE DEL DIODO (A) 12 1.830 V 21.638 mA 12.08 2.335 V 0.030867238 11 1.825 V 19.520 mA 11.06 2.29 V 0.028543897 10 1.819 V 17.407 mA 10.01 2.246 V 0.026244111 9 1.812 V 15.293 mA 9.02 2.203 V 0.02403212 8 1.804 V 13.181 mA 8.06 2.157 V 0.021877944 7 1.795 V 11.073 mA 7 2.11 V 0.019507495 6 1.784 V 8.969 mA 6.01 2.064 V 0.017289079 5 1.770 V 6.871 mA 5.09 2.021 V 0.015226981 4 1.752 V 4.783 mA 4.03 1.966 V 0.012835118 3 1.722 V 2.718 mA 3 1.907 V 0.010507495 2 1.655 V 735.044 uA 2.02 1.817 V 0.008216274 1 999.998 V 3.428 nA 1.05 1.05 V 0.004496788 0.9 899.999 V 1.254 nA 0.919 917 mV 0.003931478 0.8 800 mV 852.155 uA 0.805 804 mV 0.003445396 0.7 700 mV 708.12 pA 0.706 707 mV 0.003025696 0.6 600 mV 601.711 pA 0.601 601 mV 0.002573876 0.5 500 mV 500.649 pA 0.505 505 mV 0.002162741 -0.5 (-) 500 mV (-) 500.491 pA -0.504 (-) 500 V -0.002156317 -1 (-) 1000 mV (-) 1.001 nA -1.02 (-) 1.022 V -0.004372591 -2 (-) 2 V (-) 2.002 nA -2 (-) 2.02 V -0.008650964
Conclusiones
El error de los valores obtenidos mediante la simulación y medición es pequeños, y esto puede ser debido a error de contacto entre los componentes de circuito o por la procedencia de los materiales. En la experiencia numero 1 se noto que el valor de la resistencia era
muy bajo esto ocasiono que esta se caliente (efecto joule) por lo tanto se calentara el circuito, es posible que la variación entre los valores medidos y simulados se deba a este efecto.
En la polarización directa se obtuvo graficas crecientes que obedecen la forma de una Parábola con pendiente positiva y esta se contrasta con la grafica teórica.
En la polarización indirecta se obtuvo graficas decreciente con penitente negativa y se contrasta con la teórica.
