PRÁCTICA PD1 CARACTERÍSTICAS DE VOLTAJE CONTRA CORRIENTE DE DIODOS SEMICONDUCTORES

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PRÁCTICA PD1

CARACTERÍSTICAS DE VOLTAJE CONTRA CORRIENTE DE

DIODOS SEMICONDUCTORES

OBJETIVOS

 Determinar teóricamente y de manera experimental los parámetros de funcionamiento de diferentes tipos de diodos semiconductores y graficar sus curvas características de voltaje contra corriente.

 Conocer e interpretar los parámetros de funcionamiento que los fabricantes de diodos semiconductores presentan en sus hojas de especificaciones.

1.1 INTRODUCCIÓN

Principio de funcionamiento del Diodo Semiconductor

El diodo es un dispositivo que permite el flujo de corriente en una sola dirección. Su funcionamiento puede ser comparado al de una válvula de agua de las llamadas válvulas "check". Observe en la Figura 1.1(a) como la presión de agua es aplicada en el extremo derecho de dicha válvula de tal forma que provoca que esta se abra, permitiendo el flujo de agua en una dirección (en este caso de izquierda a derecha). Por otro lado, en la Figura 1.1(b), se observa como la presión de agua es aplicada en dirección opuesta, lo que mantiene la válvula cerrada evitando el flujo de agua.

Esta analogía sirve para explicar el funcionamiento de un diodo, ya que idealmente el diodo se comporta como una válvula electrónica. Cuando se aplica un voltaje entre las terminales de un diodo, la polaridad del voltaje aplicado provoca que el diodo se encuentre en uno de dos estados posibles:

Estado 1. El diodo conduce la corriente en una determinada dirección. Este estado también es llamado

de “polarización directa”. Se dice que el diodo se encuentra polarizado directamente cuando aplicamos un voltaje positivo de ánodo con respecto al cátodo. En la Figura 1.2 (a) y (b), se observa como el comportamiento del diodo es similar al de un interruptor cerrado permitiendo la circulación de corriente.

(a) Válvula abierta (b) Válvula cerrada Figura 1.1 En estas figuras se compara el funcionamiento de un diodo con el de una válvula de agua tipo “check.

Flujo de agua Presión

Válvula abierta

Válvula cerrada

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Estado 2. El diodo bloquea el flujo de la corriente en sentido inverso. Este estado también es llamado

de “polarización inversa”. Se dice que el diodo se encuentra polarizado inversamente cuando aplicamos un voltaje negativo de ánodo con respecto al cátodo. En la Figura 1.3 (a) y (b), se observa como el comportamiento del diodo es similar al de un interruptor abierto, y por lo tanto, no permite el flujo de corriente. Observe que en este caso la polaridad de la fuente de voltaje se ha invertido en comparación con el circuito de la Figura 1.2(a).

(a) (b)

Figura 1.2 a) Representación de un circuito con diodo en polarización directa. b) Circuito equivalente simplificado Carga -- + Diodo 1N4007 Fuente de voltaje I V Dirección de la corriente Carga Carga -- + Diodo 1N4007 Fuente de voltaje I V Dirección de la corriente Carga -- ₊ Diodo como interruptor cerrado Fuente de voltaje I V Dirección de la corriente Carga Carga -- ₊ Diodo como interruptor cerrado Fuente de voltaje I V Dirección de la corriente (a) (b)

Figura 1.3 a) Representación de un circuito con diodo en polarización inversa. b) Circuito equivalente simplificado

Carga + --Diodo 1N4007 Fuente de voltaje V Carga Carga + --Diodo 1N4007 Fuente de voltaje V Carga + --Diodo como interruptor abierto Fuente de voltaje V Corriente bloqueada I=0 A Carga Carga + --Diodo como interruptor abierto Fuente de voltaje V Corriente bloqueada I=0 A

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Construcción y símbolo del diodo

Un diodo se construye uniendo dos capas de materiales semiconductores, una capa de material semiconductor tipo P y una capa de material tipo N. En la Figura 1.4(a) se representa la estructura básica de un diodo. La terminal conectada a la región N es llamada cátodo (K), y la terminal conectada a la región P, se conoce como ánodo (A). Por otro lado, en la Figura 1.4(b) se ilustra el símbolo eléctrico usado para representar el diodo.

Bibliografía

Libro de Texto:

 Microelectronics; Circuit Analysis and Design (Chapter 1) Donal A. Neamen, McGraw Hill, 3rd Edition, 2007

Libros de Consulta:

 Electronic Devices (Chapter 1)

Thomas L. Floyd, Prentice Hall, 6th Edition, 2002

 Electronic Circuits; Analysis, Simulation, and Design (Chapter 3) Norbert R. Malik, Prentice Hall, 1995

 Electronic Devices and Circuits (Chapter 1 and 2) Robert T. Paynter, Prentice Hall, 7th Edition, 2006

(a) (b)

Figura 1.4 a) Estructura básica de un diodo b) Símbolo eléctrico Ánodo

(A)

Cátodo (K)

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1.2 ACTIVIDAD PREVIA Instrucciones

Siga detalladamente las instrucciones para cada uno de los puntos que se plantean en la presente actividad. Conteste y/o resuelva lo que se le pide en los espacios correspondientes para cada pregunta. Hágalo de manera ordenada y clara. En el reporte agregue en el espacio asignado gráficas comparativas, análisis de circuitos, simulaciones en computadora, ecuaciones, referencias bibliográficas, ejemplos, aplicaciones, según sea el caso.

No olvide colocar una portada con sus datos de identificación así como los datos relacionados con la práctica en cuestión, como número de práctica, titulo, fecha, etc.

Desarrollo de la actividad previa

I) Lea detenidamente el capitulo 1 de su libro de texto (Materiales Semiconductores y Diodos) y

conteste lo siguiente:

 Utilizando una analogía diferente a la de la válvula “check” describa con sus propias palabras el funcionamiento ideal de un diodo.

_____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________

 Dibuje el símbolo eléctrico del diodo y especifique las terminales de ánodo y cátodo. Dibuje

también la estructura interna de las capas de semiconductor de un diodo e identifique sus terminales.

 Realice una comparación entre las características de voltaje contra corriente real de un diodo y

su característica ideal.

_____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________

 Defina el Voltaje de Directa (Forward Voltage) VF y Voltaje de Ruptura VBR. ¿Qué papel

desempeñan en el comportamiento de un diodo?

_____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________

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 Investigue el concepto de resistencia de CA o dinámica aplicada a un diodo. Proporcione una

explicación para este concepto.

_____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________

 Demuestre matemáticamente que la resistencia dinámica de un diodo también puede calcularse

como: D T D D D I V   di dv r

donde ID es la corriente que circula por el diodo en un punto de operación específico y VT es el

Voltaje Térmico. ¿Para que regiones de la curva característica es válida esta ecuación?

_____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________

 Explique el significado de Voltaje Térmico VT (aplicado a un diodo semiconductor). Determine

también la ecuación con la cual se puede calcular.

_____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________

II) Hoja de especificaciones de diodos. Los datos que los fabricantes proporcionan en sus hojas de

especificaciones acerca de los dispositivos semiconductores son piezas claves para la correcta utilización del dispositivo. Estas incluyen gráficas, tablas, identificación de terminales, materiales utilizados en la construcción del dispositivo, temperaturas de operación, corrientes máximas permitidas, dimensiones, recomendaciones generales, etc..

A continuación se presenta una lista con los datos más importantes que deben conocerse para una correcta utilización de un diodo. Se pide que comprendas el significado de cada uno de ellos.

1. Tipo de diodo

2. El voltaje de conducción en directa VF (a una corriente y temperatura específicas)

3. La corriente directa máxima IF (a una temperatura específica)

4. La corriente de saturación inversa IR (a un voltaje y temperatura específicos)

5. El voltaje de ruptura VBR (breakdown) (a una temperatura especificada)

6. La capacidad máxima de disipación de potencia a una temperatura en particular 7. El tiempo de recuperación inverso trr

8. El rango de temperatura de operación

Otros datos adicionales que dependen del tipo de diodo que se trate son: rango de frecuencia, características ópticas, el nivel de ruido, el tiempo de conmutación, los niveles de resistencia térmica y los valores pico repetitivos.

III) Imprima la hoja de datos del fabricante para los siguientes modelos de diodos: 1N4001,

HLMP-M200 y 1N5818. Estudie la hoja de datos de cada modelo. Nota, tome en cuenta que algunos fabricantes pueden omitir algunos parámetros.

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IV) Tomando en cuenta la información contenida en la hoja de datos de cada modelo de diodo conteste

lo siguiente:

 A que tipo de diodo corresponde cada modelo. Llene la siguiente tabla comparativa:

Modelo Tipo de Diodo

1N4001 1N5818 HLMP-M200

 Para cada modelo indicado, llene la siguiente tabla con los parámetros que se especifican en ella. Considere los parámetros a temperatura ambiente (25°C).

Parámetro 1N4001 1N5818 HLMP-M200

Voltaje de directa (VF)

Para una IF=200mA Para una IF=100mA Para una IF=40mA Corriente directa máxima

(IF) promedio o continua

Corriente directa (IF) pico

no repetitiva

Voltaje de ruptura (VBR)

Corriente de saturación inversa IR a voltaje inverso

VR máximo

Disipación máxima de potencia

Rango de temperaturas de operación

 Para los tres modelos de diodos, observe los valores de corriente directa (IF) promedio o

continua y compárelos con los de la corriente directa pico no repetitiva. En relación a estos valores de corriente ¿Qué puede concluir? Suponga que en cada uno de los diodos mantenemos constante el valor de la corriente pico durante un tiempo prolongado. ¿Qué efecto tendría esta acción en el dispositivo?

_____________________________________________________________________________ _________________________________________________________

 ¿En que afecta la temperatura ambiente a la corriente directa IF del diodo?

_____________________________________________________________________________ _________________________________________________________

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1.3 PROCEDIMIENTO

En esta sección se construirán, de forma experimental, las curvas características de voltaje contra corriente para tres diferentes modelos de diodos. A partir de ellas se obtendrán varios parámetros de interés, tales como la resistencia interna del diodo, voltaje de umbral, corriente de saturación inversa, voltaje térmico, etc. Una vez recolectados los datos para cada modelo de diodo, se pide que a partir de esta información se identifique el modelo específico de cada uno.

Construcción de la curva característica de voltaje contra corriente. A continuación se describe el

procedimiento para la construcción de la curva característica de voltaje contra corriente de cada diodo. Para ello se utiliza la interfase gráfica del Laboratorio Remoto de Electrónica (eLab).

Para la construcción de la curva característica de voltaje contra corriente, ajuste el valor de voltaje de la batería de acuerdo a las siguientes recomendaciones: para voltajes positivos se sugieren incrementos de 0.05 a 0.1V; mientras que para valores negativos es recomendable realizar incrementos de 0.5 a 1V. Observe en la Figura 1.5 como este voltaje se aplica directamente a las terminales del diodo. Una vez seleccionado el nivel de voltaje, presione el botón “Execute”. Esta acción es la encargada de aplicar el voltaje seleccionado físicamente al dispositivo semiconductor. Para cada nivel de voltaje aplicado, el sistema mide la corriente que se establece en el diodo y grafica a la vez cada punto de voltaje contra corriente. Debe ir ajustando el valor de la fuente de voltaje, tanto para valores positivos como para valores negativos, de manera que vaya construyendo la curva característica del diodo.

I) Voltaje Térmico VT

a) Temperatura de operación del diodo. Tome la lectura de la temperatura (en °C) a la cual están

operando los diodos, este dato se puede obtener de la interfase gráfica del Laboratorio Remoto de Electrónica (eLab).

Temperatura de operación (°C)

b) Voltaje Térmico VT. Con el dato de temperatura obtenido en el inciso anterior calcule el Voltaje Térmico. Realice los cálculos en el siguiente espacio y anote su resultado.

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Voltaje Térmico VT

II) Diodo Semiconductor 1

a) Construya punto por punto, de acuerdo al procedimiento descrito anteriormente, la curva

característica de voltaje contra corriente del diodo 1. En el siguiente recuadro inserte la curva característica obtenida.

b) Mediciones de voltaje y corriente en diferentes puntos de operación. Ajuste el voltaje aplicado

para obtener la corriente indicada en cada caso (puede aproximar el valor de la corriente de prueba). Complete la siguiente tabla.

Voltaje aplicado V Corriente ID

V1= ID1= (10 mA) V2= ID2= (8 mA) V3= ID3= (6 mA) V4= ID4= (4 mA) V5= ID5= (2 mA) V6= ID6= (1.5 mA) V7= ID7= (1 mA) V8= ID8= (0.5 mA)

c) Calculo de la resistencia promedio. Ahora se calculará la resistencia promedio para este diodo en

varios puntos de operación. Utilizando los resultados del inciso anterior, realice los cálculos respectivos y llene la siguiente tabla.

Tipo de diodo Resistencia promedio Con ID2=8 mA y mA 2   I_D 3 1 3 1 D D d d AV I I V V I V r       Resistencia promedio Con ID4=4 mA y mA 2   I_D 5 3 5 3 D D d d AV I I V V I V r       Resistencia promedio Con ID7=1 mA y mA 5 . 0   I_D 8 6 8 6 D D d d AV I I V V I V r      

Diodo 1 rAV = rAV = rAV =

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d) Cálculo de la resistencia dinámica utilizando la definición. Utilizando la formula D T I V  d r

calcule la resistencia dinámica para los siguientes casos: Tipo de diodo Resistencia dinámica

con ID2=8 mA

Resistencia dinámica con ID4=4 mA

Diodo 1 rd = rd = rd =

e) Voltaje de umbral. Con la curva característica de voltaje contra corriente obtenida en el inciso a)

del procedimiento realice los trazos adecuados para calcular el voltaje de umbral del diodo. Se recomienda que realice el siguiente procedimiento: primero, trace una línea recta tangente a la región de plena conducción del diodo, enseguida, extienda esta línea hasta que ésta cruce el eje horizontal. Finalmente, el voltaje en el cual la línea recta corta el eje horizontal corresponde al voltaje de umbral VTh del diodo.

Para el presente diodo, a continuación, anote el valor de voltaje de umbral obtenido:

Voltaje de Umbral del Diodo VTh

f) Corriente de Saturación Inversa. Empleando la ecuación de Shockley que describe la relación

teórica entre el voltaje y la corriente del diodo, utilice los puntos de medición de voltaje y corriente obtenidos en el inciso (b) del procedimiento y calcule la Corriente de Saturación Inversa IS del diodo.

Corriente de prueba ID Voltaje de prueba V Corriente IS

(10 mA) (6 mA) (2 mA)

III) Diodo Semiconductor 2

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Tipo de diodo Resistencia promedio Con ID2=8 mA y mA 2   I_D 3 1 3 1 D D d d AV I I V V I V r       Resistencia promedio Con ID4=4 mA y mA 2   I_D 5 3 5 3 D D d d AV I I V V I V r       Resistencia promedio Con ID7=1 mA y mA 5 . 0   I_D 8 6 8 6 D D d d AV I I V V I V r      

Diodo 2 rAV = rAV = rAV =

d) Cálculo de la resistencia dinámica utilizando la definición. Utilizando la formula

D T I V  d r

con ID2=8 mA

Diodo 2 rd= rd= rd=

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Para el presente diodo, a continuación, anote el valor del voltaje de umbral obtenido: Voltaje de Umbral del Diodo VTh

(10 mA) (6 mA) (2 mA)

IV) Diodo Semiconductor 3

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Tipo de diodo Resistencia promedio Con ID2=8 mA y mA 2   I_D 3 1 3 1 D D d d AV I I V V I V r       Resistencia promedio Con ID4=4 mA y mA 2   I_D 5 3 5 3 D D d d AV I I V V I V r       Resistencia promedio Con ID7=1 mA y mA 5 . 0   I_D 8 6 8 6 D D d d AV I I V V I V r       Diodo 3 rAV = rAV = rAV =

d) Cálculo de la resistencia dinámica utilizando la definición. Utilizando la formula

D T I V  d r

con ID2=8 mA

Diodo 3 rd = rd = rd =

Para el presente diodo, a continuación, anote el valor del voltaje de umbral obtenido: Voltaje de Umbral del Diodo VTh

(10 mA) (6 mA) (2 mA)

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1.4 ACTIVIDADES Y CONCLUSIONES FINALES

1.- Para cada tipo de diodo, observe la tabla obtenida en el inciso (c) del procedimiento ¿qué sucede con su resistencia promedio a medida que disminuye la corriente que circula por él? Proporcione una explicación para estos resultados.

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2) Para cada tipo de diodo, observe los datos obtenidos en el inciso (d) del procedimiento. ¿Qué sucede con la resistencia dinámica a medida que disminuye el punto de operación? Justifique su respuesta ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________

3) Para cada diodo compare los resultados obtenidos en el inciso (c) y (d) del procedimiento. Explique el motivo de las diferencias en los resultados de ambos incisos.

___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________

4) Para los modelos de diodos analizados en la presente práctica realice una comparación entre sus voltajes de umbral. Complete la siguiente tabla.

Diodo 1 Diodo 2 Diodo 3

Voltaje de umbral VTh

A continuación, mencione cuales son las causas que dan lugar a las diferencias en los resultados de la tabla anterior.

___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ _____________________________________________________

5) De los modelos de diodos analizados en el punto IV de la actividad previa y en base a las mediciones efectuadas en el procedimiento ¿Determine el modelo correspondiente para cada tipo de diodo analizado en el procedimiento de la practica?

Modelo Tipo de Diodo

Diodo 1 Diodo 2 Diodo 3