4. DIODOS DE SEMICONDUCTOR.

Transcripción

1 4. Diodos de semicoductor DIODOS D SMICONDUCTOR. DSCRIPCIÓN DL XPRIMNTO OBJTIVOS l roósito de la ráctica es aalizar el comortamieto del diodo e los circuitos electróicos. rimer lugar se determiará exerimetalmete las curvas características de u diodo rectificador y de u diodo Zeer, que relacioa la diferecia de otecial y la itesidad e dichos comoetes. A artir de estas curvas se obtedrá los arámetros que caracteriza a dichos diodos. INTRODUCCIÓN La deomiada uió - se cosigue doado de forma diferete dos zoas de u mismo cristal de semicoductor: ua zoa tio mediate átomos acetores de electroes, y otra de tio mediate átomos doadores de electroes. la rimera los huecos será los ortadores mayoritarios, mietras que e la seguda lo será los electroes. Figura 1.- Uió -. Al existir diferetes cocetracioes de electroes y huecos e las dos zoas del cristal, se iiciará rocesos de difusió tedetes a uiformizar las cocetracioes, que suodrá u movimieto de huecos de la zoa a la, y de electroes de la zoa a la. ste movimieto e setido cotrario de electroes y huecos hace que e la uió de ambas zoas se ecuetre ambos tios de ortadores de carga, co lo que e la uió se icremetará las recombiacioes, desaareciedo ares electró-hueco, y dejado al descubierto la carga de los ioes que ha formado los átomos doates. De esta forma se crea lo que se deomia zoa de trasició, formada or ioes egativos e la zoa, y or ioes ositivos e la zoa. stas distribucioes de carga origia u camo eléctrico e el setido de la zoa hacia la (de ositivo a egativo), camo que se ooe al movimieto de difusió de electroes (cargas egativas sobre las que aarecerá fuerzas electrostáticas e setido cotrario al camo, de la zoa a la, e setido cotrario al de su difusió, de la zoa a la ) y huecos (cargas ositivas sobre las que aarecerá fuerzas electrostáticas e el mismo setido que el camo, de la zoa a la, e setido cotrario al de su difusió, de la zoa a la ). Así, la difusió roduce las distribucioes de carga, y éstas se ooe a la difusió. el equilibrio tedremos cuatro zoas: la zoa y la zoa, searadas or la zoa de trasició dividida e ua arte co carga ositiva juto a la zoa, y otra arte egativa juto a la zoa. Figura 2.- Zoa de trasició e la uió -. esta situació, la corriete eléctrica que se origia or el movimieto de electroes y de huecos será la siguiete:

2 16 Prácticas de Física - Los electroes mayoritarios de la zoa que se mueve or difusió hacia la zoa, de los que solo ua equeña arte tedrá eergía suficiete ara atravesar la zoa de trasició, y que da lugar a la corriete I d. - Los huecos mayoritarios de la zoa que se mueve or difusió hacia la zoa, de los que solo ua equeña arte tedrá la eergía suficiete ara atravesar la zoa de trasició, y que da lugar a la corriete I d. - Los electroes mioritarios de la zoa que se mueve or efecto del camo hacia la zoa, y que da lugar a la corriete I e. - Los huecos mioritarios de la zoa que se mueve or efecto del camo hacia la zoa, y que da lugar a la corriete I e. La corriete total que atraviesa la zoa de trasició será la suma de todas las corrietes ateriores, y deberá ser cero cuado el cristal se ecuetre e circuito abierto: I = I + I + I + I (1) d d e e Al colocar u diodo e u circuito eléctrico odemos ecotraros co dos osibilidades: que coectemos la zoa del diodo a mayor otecial que la, lo que se deomia olarizació directa, o que la zoa del cristal esté a mayor otecial que la, lo que se deomia olarizació iversa. olarizació directa alicamos u camo exterior co el que estamos favoreciedo el movimieto de difusió de los ortadores mayoritarios. La zoa de trasició se reducirá ya que la desaarició de electroes y huecos or recombiació se ve comesada co la etrada de uevos electroes y huecos del circuito, y, or lo tato, a los ortadores mayoritarios les será más fácil atravesar la barrera. Así, tedremos e el diodo ua corriete debida, rácticamete, a la difusió de electroes y huecos, I I d +I d, ya que la corriete debida a los ortadores mioritarios es muy reducida. Ua vez suerado y aulado el camo eléctrico de la zoa de trasició, el movimieto de difusió o tedrá igua oosició, a exceció de la resistecia óhmica del cristal. I Figura 3.- Diodo e olarizació directa. olarizació iversa el camo exterior se suma al de la zoa de trasició, co lo que la oosició al movimieto de difusió de los ortadores mayoritarios se icremeta. La zoa de trasició se hace mayor, y la úica corriete que uede asar la zoa de trasició es la de los ortadores mioritarios, corriete de valor muy reducido I I e +I e =I 0 0. Auque aumetemos el valor del camo exterior la itesidad seguirá siedo muy débil, seguirá siedo la de los ortadores mioritarios. De este modo el efecto de u diodo e u circuito eléctrico lo odemos cosiderar como u cortocircuito cuado se olariza directamete, y como u circuito abierto cuado está e olarizació iversa.

3 4. Diodos de semicoductor. 17 I 0 Figura 4.- Diodo e olarizació iversa. Curva característica de u diodo. Se deomia curva característica de u diodo a la relació etre la itesidad de corriete que circula or él (I) y la diferecia de otecial etre sus termiales (V). La ecuació que las relacioa es la siguiete: ev kt I = I e 1 0 (2) dode T es la temeratura, e la carga eléctrica del electró y k la costate de Boltzma, e I 0 la corriete máxima e olarizació iversa. la Figura 5 hemos reresetado co escalas diferetes la corriete e olarizació directa y e olarizació iversa Itesidad (A) Curva característica del diodo de uió Itesidad (A) Voltaje (V) Figura 5.- Curva característica del diodo rectificador. ste sería el resultado del que se deomia diodo rectificador, e el que u arámetro imortate es la tesió umbral V C, a artir de la que se cosidera el diodo, e olarizació directa, como u coductor. l símbolo del diodo rectificador e los circuitos se muestra e la Figura 6. Figura 6.- Símbolo del diodo rectificador.

4 18 Prácticas de Física l diodo Zeer tiee u comortamieto similar al rectificador cuado está e olarizació directa, ero e olarizació iversa el camo eléctrico alicado uede teer eergía suficiete como ara arracar los electroes de sus átomos romiedo los elaces covaletes, geerádose u úmero muy elevado de electroes y de huecos, y dado lugar a itesidades de corrietes muy altas. Así el comortamieto e olarizació iversa, a artir de determiados valores de tesió, es equivalete al comortamieto e olarizació directa. la Figura 7 se uede observar la curva característica de u diodo Zeer, e la que el arámetro ricial es la tesió Zeer V Z. l símbolo utilizado ara el diodo Zeer es el de la Figura 8. I V Z V Figura 7.- Curva característica del diodo Zeer. Figura 8.- Símbolo del diodo Zeer. Curva característica de u diodo. Pretedemos determiar exerimetalmete la curva característica de u diodo y lo haremos siguiedo dos rocedimietos diferetes: a) u rimer rocedimieto el disositivo exerimetal es muy secillo, costa úicamete de ua fuete de tesió cotiua regulable coectada e serie co u amerímetro, ua resistecia de R =100 Ω y u diodo. Coectamos tambié u voltímetro e aralelo co el diodo, tal como ilustra la Figura 9. Primero, coectado el diodo rectificador e olarizació directa, variaremos la tesió ε sumiistrada or la fuete desde 0'1V hasta 4V, e itervalos de 0'1V, aotado e cada caso el valor de la itesidad I registrada e el amerímetro, el cual se situará e la escala de µa, y el valor de la diferecia de otecial V etre los termiales del diodo, registrado e el voltímetro. Seguidamete, se coecta el diodo e olarizació iversa (es decir, se itercambia el olo + y el de la fuete) y se toma de uevo los valores del amerímetro y del voltímetro, corresodietes a los siguietes valores de la tesió ε sumiistrada or la fuete: 1, 1'5, 2, 2'5, 3, 3'5 y 4V. Fialmete, se ha de reresetar gráficamete, co alguo de los rogramas de reresetació gráfica disoible e los ordeadores del laboratorio (or ejemlo el Kaleida-Grah), los valores de I frete a los de V. l roceso aterior lo reetiremos co el diodo Zeer. Las medidas e olarizació directa será las mismas que ara el diodo rectificador, si embargo e olarizació iversa se medirá de 0,1 V hasta 5 V e itervalos de 0,1 V. A artir de sus resectivas curvas características determiaremos la tesió umbral o característica ara cada uo de ellos y, además, la tesió de rutura ara el caso del diodo Zeer.

5 4. Diodos de semicoductor. 19 V + - ε R A Figura 9.- Circuito ara obteer la curva característica de u diodo. b) u segudo rocedimieto cualitativo utilizaremos el osciloscoio como aarato de medida y u trasformador de corriete altera ε que regularemos o limitaremos co la ayuda del dial del reostato P, colocado iicialmete e la osició itermedia, tal como muestra la Figura 10. Por el caal 1 ó X del osciloscoio mediremos la diferecia de otecial total alicada al circuito y or el caal 2 ó Y mediremos la diferecia de otecial etre los extremos de la resistecia R (esta medida es directamete roorcioal a la itesidad que recorre el circuito). Hay que hacer otar que las masas de las dos sodas, X e Y, ha de ir coectadas a la masa del circuito. Se visualizará que la señal Y es ua rectificació de la señal de etrada X (el diodo actúa como rectificador). Fialmete, asado al modo de reresetació XY del osciloscoio (co la tecla Mai/Delayed) visualizaremos la curva característica. Posteriormete, actuado sobre el geerador de corriete altera, modificado el voltaje de la señal de etrada mediate el deslazamieto del dial del reostato P ( si suerar e mometo alguo u voltaje total de 6V!), odremos aalizar su efecto sobre la curva característica y comrobar hasta qué valores de dicho voltaje u diodo Zeer se comorta como rectificador. este aartado aotaremos simlemete los valores de los voltajes umbrales o característicos determiados ara los dos diodos disoibles y el voltaje de rutura ara el diodo Zeer, y comararemos estos valores co los obteidos e el aartado aterior. ε P X R masa del circuito Y oscilos. Figura 10.- Circuito ara obteer la curva característica de u diodo co el osciloscoio.