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PRACTICA # 5: EL DIODOJulio Siguencia

jsiguenciau@est.ups.edu.ec

Abstract—In this practice we analyze the electronic componentsemiconductor diode observe its behavior in front of a voltagesignal characteristic curve of current and voltage as a functionof input voltage as a function of output voltage.

Index Terms—Atenuada,semiconductor,dopadores,catodo,anodo.

I. OBJETIVOS

• Obtener la curva característica del diodo de silicio enel osciloscopio, variando la temperatura con mínimo tresvalores de temperatura. Explicar lo sucedido.

• Verificar el funcionamiento y obtener la función de Trans-ferencia de los circuitos con diodos propuestos.

II. MARCO TEÓRICO

Un diodo es un componente electrónico de dos terminalesque permite la circulación de la corriente eléctrica a travésde él en un solo sentido. Este término generalmente se usapara referirse al diodo semiconductor, el más común enla actualidad; consta de una pieza de cristal semiconductorconectada a dos terminales eléctricos. El diodo de vacío (queactualmente ya no se usa, excepto para tecnologías de altapotencia) es un tubo de vacío con dos electrodos: una láminacomo ánodo, y un cátodo.

El diodo ideal es un componente discreto que permite lacirculación de corriente entre sus terminales en un determinadosentido, mientras que la bloquea en el sentido contrario.

En la Figura 1 se muestran el símbolo y la curva car-acterística tensión-intensidad del funcionamiento del diodoideal. El sentido permitido para la corriente es de A(anodo) aK(catodo).

Figure 1. El diodo semiconductor.

A. Principio de Operación de un Diodo

El semiconductor tipo N tiene electrones libres (excesode electrones) y el semiconductor tipo P tiene huecos libres(ausencia o falta de electrones).

Cuando una tensión positiva se aplica al lado P y unanegativa al lado N, los electrones en el lado N son empujadosal lado P y los electrones fluyen a través del material P masallá de los límites del semiconductor.

De igual manera los huecos en el material P son empujadoscon una tensión negativa al lado del material N y los huecosfluyen a través del material N.

En el caso opuesto, cuando una tensión positiva se aplica allado N y una negativa al lado P, los electrones en el lado N sonempujados al lado N y los huecos del lado P son empujadosal lado P. En este caso los electrones en el semiconductor nose mueven y en consecuencia no hay corriente.

Figure 2. El Diodo semiconductor esquema de la union de materiales tipon y p.

B. Polarizacion Directa del Diodo

Flujo de corriente en el sentido de la flecha, se reduce laregión de agotamiento, dando como resultado una circulaciónde corriente; que dependerá de la capacidad del diodo y de R.

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Figure 5. Curva caracteristica del diodo.

Figure 3. Polarizacion directa.

C. Polarizacion Inversa

El voltaje aplicado aumenta la región de agotamiento dandocomo resultado un corte de corriente, es un circuito abierto.

Figure 4. Polarizacion Inversa.

D. Curva Caracteristica del Diodo Semiconductor

Con la polarización directa los electrones portadores aumen-tan su velocidad y al chocar con los átomos generan calor quehará aumentar la temperatura del semiconductor. Este aumentoactiva la conducción en el diodo.

E. El diodo como dispositivo no lineal

Esta es la curva característica del diodo (un diodo secomporta de esa forma). Como no es una línea recta, al diodo

se le llama "Elemento No Lineal" ó "Dispositivo No Lineal",y este es el gran problema de los diodos, que es muy difíciltrabajar en las mallas con ellos debido a que sus ecuacionesson bastante complicadas.

La ecuación matemática de esta curva es:I = Is(e

vη.vT − 1)

η = Constante que vale entre 1 y 2.Is = Corriente de saturación.VT =Potencial Equivalente de temperatura.VT =K.TK=Constante de Boltzman =8.62·10^-5 eV

KT=Temperatura en grados kelvin ( K)En directa, a partir de 0.7 V la corriente aumenta mucho,

conduce mucho el diodo y las corrientes son muy grandes.Debido a estas corrientes grandes el diodo podría romperse,por eso hay que tener cuidado con eso (como máximo setomará 0.8 V ó 0.9 V).

En inversa tenemos corrientes negativas y pequeñas.A partir de -1 V se puede despreciar la y queda aproximada-

mente I = -IS, que es muy pequeña aunque no se ha tenidoen cuenta la corriente de fugas, con ella sería:I = −(IS + If)A partir de -1 V si no hubiera If tendríamos una corriente

pequeña y horizontal pero como hay fugas que son propor-cionales a la tensión inversa, bajando poco a poco.

Figure 6. La corriente en funcion del voltaje.

Si sigo aumentando la tensión inversa puede ocurrir laruptura a la tensión de ruptura, en este ejemplo a VR = -50 V aparece la avalancha y ya la ecuación no vale, es otradistinta:

Y aquí el diodo se destruye a no ser que sea uno preparado(un diodo zener).

Al punto en el que se vence la barrera de potencial se lellama codo. La "Barrera de Potencial" ó "Tensión Umbral" esel comienzo del codo, a partir de ahí conduce mucho el diodoen directa.

F. La zona directa

En la zona directa tenemos dos características importantes:• Hay que vencer la barrera de potencial (superar la tensión

umbral Vd) para que conduzca bien en polarizacióndirecta (zona directa).

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Figure 7. La corriente en funcion del voltaje.

• Aparece una resistencia interna (el diodo se comportaaproximadamente como una resistencia.

1) Tensión Umbral: Como ya se ha dicho antes es el valorde la tensión a partir del cual el diodo conduce mucho. A partirde la Tensión Umbral ó Barrera de Potencial la intensidadaumenta mucho variando muy poco el valor de la tensión.

Figure 8. Tensión Umbral

2) Resistencia Interna: A partir de la tensión umbral sepuede aproximar, esto es, se puede decir que se comporta comouna resistencia. La zona n tiene una resistencia y la zona potra resistencia diferente:

Figure 9. Resistencia Interna.

3) Disipación máxima de potencia: La máxima corrientey la máxima potencia están relacionados. Como ocurre conuna resistencia, un diodo tiene una limitación de potencia queindica cuanta potencia puede disipar el diodo sin peligro deacortar su vida ni degradar sus propiedades. Con corrientecontinua, el producto de la tensión en el diodo y la corrienteen el diodo es igual a la potencia disipada por éste.

Normalmente en diodos rectificadores no se suele emplearla limitación máxima de potencia, ya que toda la informaciónacerca de la destrucción del diodo (por calor) ya esta contenidaen el límite máximo de corriente.

III. MATERIALES E INSTRUMENTOS

• 4 Sondas.• Osciloscopio.• Generador de funciones.• Fuente de tensión directa.• Multimetro.• 1 resistencia de 1KΩ.• 3 diodos de silicio 1N4007.• project board.

IV. DESARROLLO

Primero diseñamos y armamos el circuito con el diodosemiconductor luego obtenemos la curva caracteristica deldiodo de la corriente en funcion del voltaje.

Figure 10. Esquema del circuito.

• Datos medidos.

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Table IDATOS MEDISO DEL VOLTAJE DE INGRESO Y LA CORRIENTE DE SALIDA

DEL DIODO.

• Grafica de la curva caracteristica del diodo.

Figure 11. Curva caracteristica del diodo.

A. Polarización directa circuito a.

Figure 12. Esquema del circuito.

• Tabla de datos.

Table IIDATOS DE VOLTAJE DE ENTRADA Y SALIDA.

• Grafica de los datos resultantes.

Figure 13. Grafica del voltaje de entrada y salida.

B. Polarizacion Inversa circuito b.

Figure 14. Esquema del circuito.

• Tabla de datos.

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Table IIITABLA DE DATOS DEL CIRCUITO B.

• Grafica de los datos medidos.

Figure 15. Gráfica de los datos del circuito b.

C. Circuito c.

Figure 16. Esquema del circuito.

• Tabla de datos.

Table IVDATOS DEL CIRCUITO C.

• Gráfica de los datos medidos del circuito c.

Figure 17. Grafica de los datos del circuito c.

D. Circuito d.

Figure 18. Esquema del circuito d.

• Tabla de datos medidos.

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Table VDATOS MEDIDOS DEL CIRCUITO C.

• Gráfica de los datos medidos del circuito d.

Figure 19. Gráfica de los datos del circuito d.

V. GRÁFICAS

• Polarización directa(gráficas en el osciloscopio).

Figure 20. Polarizacion directa del diodo.

• Polarización inversa(gráficas en el osciloscopio).

Figure 21. Polarizacion inversa del diodo.

• Polarizacion directa en inversa del diodo en un solocircuito.

Figure 22. Gráfica en el osciloscopio de voltaje del circuit c.

• Gráfica del voltaje del circuito d.

Figure 23. Grafica de voltaje del circuito d.

• Gráfica variando el voltaje dc del circuito d.

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Figure 24. Gráfica del circuito d.

VI. SIMULACIONES.

• Polarización directa.

Figure 25. Simulacion de Polarización directa del diodo.

• Polarizacion Inversa.

Figure 26. Polarizacion Inversa del diodo.

• Circuito c.

Figure 27. Simulacion del circuito c.

• Circuito d.

Figure 28. Simulacion del circuito d.

VII. ANÁLISIS DE RESULTADOS.

Como habiamos analizado en clase el diodo es un semi-conductor que conduce en una sola dirección permite lacirculación de corriente entre sus terminales en un determinadosentido, mientras que la bloquea en el sentido contrario.

El funcionamiento del diodo ideal es el de un componenteque presenta resistencia nula al paso de la corriente enun determinado sentido, y resistencia infinita en el sentidoopuesto. La punta de la flecha del símbolo circuital, indica elsentido permitido de la corriente.

En cada zona la carga total es neutra: por cada electrónhay un ion positivo, y por cada hueco un ion negativo, esdecir, no existen distribuciones de carga neta, ni camposeléctricos internos. En el momento mismo de crear dos zonasde diferente concentración de portadores, entra en juego elmecanismo de la difusión. Como se recordará, este fenómenotiende a llevar partículas de donde hay más a donde hay menos.El efecto es que los electrones y los huecos cercanos a la uniónde las dos zonas la cruzan y se instalan en la zona contraria,es decir: Electrones de la zona N pasan a la zona P.

Huecos de la zona P pasan a la zona N.

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VIII. CONCLUSIONES.

• Finalizada la practica podemos concluir diciendo que eldiodo de silicio es un semiconductor que permite la cir-culacion de corriente en una sola direccion oponiendoserotundamente a un sentido contrario o con signo diferentede corriente.

• La tensión umbral de polarización directa coincide envalor con la tensión de la zona de carga espacial del diodono polarizado. Al polarizar directamente el diodo, la bar-rera de potencial inicial se va reduciendo, incrementandola corriente ligeramente, alrededor del 1% de la nominal.Sin embargo, cuando la tensión externa supera la tensiónumbral, la barrera de potencial desaparece, de formaque para pequeños incrementos de tensión se producengrandes variaciones de la intensidad de corriente.

• Tensión de ruptura es una tensión inversa máxima queel diodo puede soportar antes de darse el efecto avalan-cha(avalancha de electrones que provoca una corrientegrande). Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo,este conducirá la corriente inversa de saturación; en larealidad, a partir de un determinado valor de la tensión,en el diodo normal o de unión abrupta la ruptura se debeal efecto avalancha.

• Se pudo observar que estos dispositivos electronicos soncapaces de suprimir la parte negativa de cualquier señal,logrando de esta manera convertir una corriente alternaen corriente continua.

IX. RECOMENDACIONES.

• Properly connect the diodes like this in the scheme andthe correct voltage to avoid damaging the elements.

• It is advisable to check that tools and materials are ingood condition for the practice and there is no disadvan-tages with data measurements.

• Perform voltage and current measurements correctly toavoid problems when plotting the diode characteristiccurve.

X. BIBLIOGRAFIA.

• [1] El diodo semiconductor; http://ele-mariamoliner.dyndns.org/~jsalgado/analogica/6CA-filtros.pdf

• [2] Curva caracteristica del Diodo ; Disponibleen:http://www.dte.uvigo.es/recursos/potencia/ac-dc/archivos/diodo.htm; [4/28/2013]

• [3] El Diodo;Disponible en:http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Funcionamiento-del-diodo.php