Practica1.- Determinación experimental de la característica I-V del diodo de unión.

Transcripción

1 Laboratorio d Elctrónica d Dispositivos Practica1.- Dtrminación xprimntal d la caractrística I-V dl diodo d unión. A.- Objtivos 1.- Mdir los fctos d la polarización dircta invrsa n la corrint por l diodo. 2.- Dtrminar xprimntalmnt y rprsntar la caractrística corrint-tnsión n l diodo d unión. 3.- Comprobar l stado d un diodo. B.- Introducción Smiconductors Los smiconductors son sólidos cuya conductividad stá n una zona intrmdia ntr la d los mtals y los aislants. Como jmplos d smiconductors basta considrar los transistors, diodos d unión, diodos Znr, tc. Todos llos son ampliamnt usados n campos d la informática, lctrónica industrial, d consumo... Los smiconductors son mplados n difrnts funcions tals como rctificación, amplificación, dtctors, osciladors y n circuitos d conmutación. Algunas d sus caractrísticas más dstacadas n rlación a la tcnología antrior d tubos d vacío son: 1.- Rducidas dimnsions y pso, lo cual prmit un aumnto n la miniaturización d los dispositivos. 2.- El lmnto activo s d stado sólido vitando cualquir vibración d tipo mcánico n su funcionaminto. 3.- Los smiconductors ncsitan poca potncia para su corrcto funcionaminto, disipando mucho mnos calor qu sus antcsors, las válvulas. Matrials smiconductors impurzas Inicialmnt l matrial mplado n la construcción d smiconductors fu l grmanio (G) pro n la actualidad la práctica totalidad d los smiconductors son matrializados a partir dl silicio (Si) dbido a su mnor dpndncia térmica. En l stado inicial y a bajas tmpraturas, ambos matrials posn una lvada rsistividad y ncsitan sr tratados postriormnt para lograr su caráctr smiconductor bin d tipo N o d tipo P. Est procso postrior s dnomina "dopado", l cual consist n la adición d dtrminadas sustancias llamadas impurzas, las cuals dotan al matrial d cirta concntración d cargas aumntando d forma considrabl la conductividad léctrica dl matrial. Portadors d carga n un smiconductor En un tubo d vacío la conducción d la corrint s raliza mdiant los portadors ngativos d carga, s dcir, los lctrons. En un smiconductor l flujo nto d corrint s dbido a los portadors d carga ngativa (lctrons) y a los d carga positiva (hucos), ambos stán dotados d carga léctrica, masa asociada, movilidad, tc. Impurzas dl tipo dl arsénico (As) o antimonio (Sb) aumntan la concntración d portadors d carga ngativa n l silicio. Por sta razón l silicio dopado con st tipo d sustancias s llamado d tipo N. Exist muy baja concntración d portadors d carga positiva n st tipo d smiconductor por lo qu s dnomina a stos portadors los minoritarios, mintras qu los lctrons, qu stán n gran población, son llamados n st tipo d matrial los portadors mayoritarios. Por otro lado, impurzas dl tipo dl indio (In) y galio (Ga) aumntan la conductividad dl silicio aumntando la concntración d portadors d carga positiva n dtrimnto d los portadors ngativos. El silicio dopado con st tipo d sustancias s llamado d tipo P. Los 1

2 Laboratorio d Elctrónica d Dispositivos hucos qu stán n grands concntracions son aquí los portadors mayoritarios, mintras qu los lctrons son los portadors minoritarios. Dsd l punto d vista léctrico los hucos prsntan atracción por los lctrons librs mintras qu los lctrons tinn afinidad léctrica por los hucos, d forma qu nutralicn su carga. El moviminto léctrico d los portadors d carga s controla mdiant la aplicación d una tnsión xtrna V AA (figura 1). Los hucos n un matrial d tipo P son rplidos por l trminal positivo moviéndos hacia l trminal ngativo d V AA. Los lctrons gnrados n l matrial s muvn n dircción contraria. P h V AA + - Fig. 1.- Moviminto d los portadors d carga n un cristal d tipo P somtido a una polarización xtrna. Conducción n un diodo smiconductor d unión La unión física d un matrial d tipo P con otro d tipo N rcib l nombr d diodo d unión (fig. 2). P N Fig. 2.- Diodo d unión. Est matrial tin una caractrística spcial, la d djar pasar l flujo d corrint sólo n un sntido. Si s considra una tnsión aplicada con la polaridad d la figura 3 s producirá una circulación d lctrons dsd l trminal ngativo d V AA hacia la part N, una vz n lla s produc su rpulsión léctrica sindo proyctados hacia la zona d la unión PN. Los hucos s muvn dsd l trminal positivo hacia la zona P dond también son rplidos hacia la unión PN. Es n sta zona dond tin lugar una rcombinación d lctrons y hucos. Sin mbargo también tin lugar un procso d rgnración d portadors mdiant la ruptura d nlacs d la rd covalnt dl cristal y la cración d lctrons librs y hucos. En st procso los lctrons crados n la part P son atraídos por l trminal positivo d la funt xtrna. Est procso s continuo y l flujo d corrint s mantnido por la funt xtrna d forma qu si ésta aumnta la corrint también s v incrmntada. 2

3 Laboratorio d Elctrónica d Dispositivos P N h V AA + - Fig. 3.- Flujo d corrint n l diodo con polarización positiva. La disposición d la funt xtrna con su trminal positivo n la part P y l ngativo n la part N confir al diodo la llamada polarización dircta o positiva n la cual st dispositivo manifista una muy baja rsistncia a la conducción léctrica. La llamada polarización invrsa o ngativa s rprsnta n la figura 4. El trminal positivo d la funt atra los lctrons librs d la part N dsd la unión, y l trminal ngativo atra los hucos d la part P. En st caso los portadors mayoritarios no tinn nrgía suficint como para atravsar la zona d la unión rgistrándos una corrint invrsa muy pquña dbida a la baja concntración d portadors minoritarios, s dcir lctrons n la part P y hucos n la part N, pusto qu la polaridad d la funt prmit la conducción d st tipo d portadors. Sólo una corrint muy débil dl ordn d µa s obtin con sta polarización. La disposición n polarización invrsa proporciona al diodo una rsistncia muy lvada. P N h V AA Fig. 4.- Polarización invrsa n l diodo d unión. Sin mbargo, l progrsivo aumnto d la polarización tanto dircta como invrsa hac crcr l nivl d corrint, pro no db sobrpasars un dtrminado nivl d tnsión spcificado por l fabricant pus n caso contrario s dañaría l diodo. La figura 5 rprsnta l símbolo lctrónico d un diodo d unión con la nomnclatura dl ánodo y cátodo para las parts P y N rspctivamnt. Part N Cátodo Part P Anodo Caractrística dircta corrint-tnsión Fig. 5.- Símbolo circuital para l diodo d unión. La caractrística corrint-tnsión d un diodo s una gráfica dond s rprsnta la corrint qu circula a su través n función d la tnsión aplicada ntr sus trminals. Exprimntalmnt s obtin por aumnto progrsivo d la tnsión aplicada y postrior rcogida d la corrint qu circula. Para un diodo d silicio la corrint s muy baja para tnsions infriors a los 0.7 V d polarización dircta, sin mbargo, si la tnsión aumnta por ncima d st nivl s acusa un paso nto d corrint cuyo valor aumnta d forma considrabl para pquños aumntos d la 3

4 tnsión. Una caractrística típica dircta stá rprsntada n la figura 6. Laboratorio d Elctrónica d Dispositivos Fig. 6.- Caractrística dircta corrint-tnsión n un diodo d unión. La tnsión umbral d conducción n un diodo d unión d silicio s d 0.7 V, para diodos d grmanio s d 0.3 V. Hay un límit al aumnto d corrint por ncima dl cual l diodo pud sr dstruido por sobrcalntaminto xcsivo. Cuando l diodo stá invrsamnt polarizado circula un nivl muy bajo d corrint invrsa l cual s prácticamnt indpndint d la tnsión invrsa aplicada n un amplio rango d valors. Est comportaminto también tin un límit llamado tnsión d ruptura o d avalancha, por dbajo dl cual l diodo ntra n la rgión d ruptura pudindo dstruirs si no s pon una limitación xtrna. En conscuncia, l diodo db oprar simpr ntr stos dos límits d sguridad. El fabricant simpr proporciona unos valors máximos los cuals vinn dnotados mdiant magnituds caractrísticas: V RM : Máxima tnsión invrsa prmitida. I FM : Máxima corrint d pico dircta prmitida. C.- Matrial rqurido * Funt d alimntación d continua rgulabl. * Un multímtro * Rsistncias d 1kΩ, 10kΩ y 100kΩ. * Smiconductors: 1N4148 (Si) y OA90(G). D.- Procdiminto xprimntal Polarización dl diodo 1.1. Examinar l diodo 1N4148 idntificando los trminals dl ánodo y cátodo. 4

5 Multímtro Laboratorio d Elctrónica d Dispositivos + V - V AA R 1 V AK V - Multímtro Fig. 7.- Montaj a mplar Conctar l circuito d la figura 7 con l diodo dirctamnt polarizado. V s un multímtro oprando como voltímtro n DC l cual podmos mplar o bin para la mdida d la caída d tnsión V AK o bin para la d la caída d tnsión n R 1. Slccionar R 1 d 1kΩ y variar la tnsión d alimntación hasta qu s dtct a través dl diodo una caída d tnsión V AK d 0.7 V. Mdir la caída d tnsión n dicho caso a través d R 1 y a partir d ésta obtnr la corrint circulant por l diodo y anotarla n la tabla Invrtir las conxions d la funt xtrna al circuito y cambiar R 1 por 100kΩ. Rajustar la tnsión d alimntación hasta qu V AK n l diodo sa d -1.5V. Mdir la caída d tnsión n dicho caso a través d R 1 y a partir d ésta obtnr la corrint circulant por l diodo y anotarla n la tabla Mdiant la Ly d Ohm dtrminar la rsistncia dl diodo ( V / I AK AK ) cuando stá dircta invrsamnt polarizado. Anotar los rsultados n la tabla 1.1. Tabla 1.1 Para l diodo d Silicio. Polarización V AK (V) I (ma) R diodo (Ω) Dircta 0.7 Polarización V AK (V) I (na) R diodo (MΩ) Invrsa -1.5 Caractrística tnsión-corrint 2. Invrtir d nuvo la conxión d la funt xtrna rcuprando la configuración inicial d la figura 7 con R 1 d 1kΩ. Aumntar la tnsión d alimntación para qu la tnsión V AK aumnt d acurdo a los valors indicados n la tabla 1.2. Para cada uno d stos valors mdir la caída d tnsión a través d R 1 y a partir d ésta obtnr la corrint circulant por l diodo. Anotar los rsultados n la tabla 1.2. Para cada condición calcular y anotar la rsistncia dircta dl diodo. 3. Invrtir la polaridad d la funt xtrna n l circuito y colocar R 1 d 100kΩ. El diodo ahora stá invrsamnt polarizado. Variar la tnsión d alimntación para qu la tnsión V AK varí d acurdo a los valors indicados n la tabla 1.2. Para cada uno d stos valors mdir la 5

6 Laboratorio d Elctrónica d Dispositivos caída d tnsión a través d R 1 y a partir d ésta obtnr la corrint circulant por l diodo. Calcular y anotar para cada condición la rsistncia n polarización invrsa qu ofrc l diodo. Tabla 1.2 Para l diodo d Silicio. POLARIZACIÓN DIRECTA POLARIZACIÓN INVERSA V AK (V) I R V AK (V) I R Slccionar las unidads d I (na, µa ó ma) y d R (Ω, kω ó MΩ) más adcuadas para cada caso concrto. 4. Emplar la gráfica qu s mustra a continuación para rprsntar los valors d I n función d V AK para l caso d polarización dircta. Fijars qu, la scala d corrints s logarítmica para podr rprsntar todo l rango d valors qu prsnta la corrint. I(mA) V AK (V) Emplar la gráfica qu s mustra a continuación para rprsntar los valors d I n función d V AK para l caso d polarización invrsa. V AK (V) 6

7 Laboratorio d Elctrónica d Dispositivos Rptir d nuvo los pasos 1 a 3 para l diodo d grmanio (OA90), mplando R 1 d 10kΩ tanto n polarización dircta como invrsa y para los valors indicados n las tablas 1.3 y 1.4. Tabla 1.3. Para l diodo d grmanio Polarización V AK (V) I (ma) R diodo (Ω) Dircta 0.3 Polarización V AK (V) I (µa) R diodo (kω) Invrsa -1.0 Tabla 1.4. Para l diodo d grmanio POLARIZACIÓN DIRECTA POLARIZACIÓN INVERSA V AK (V) I R V AK (V) I R Slccionar las unidads d I (na, µa ó ma) y d R (Ω, kω ó MΩ) más adcuadas para cada caso concrto. 7. Emplar la gráfica qu s mustra a continuación para rprsntar los valors d I n 7

8 función d V AK para l caso d polarización dircta. Laboratorio d Elctrónica d Dispositivos I(mA) V AK (V) 8. Emplar la gráfica qu s mustra a continuación para rprsntar los valors d I n función d V AK para l caso d polarización invrsa. V AK (V) I( ) E.- Custions 1. Bajo qué condicions un diodo ntra n conducción? Emplar para la xplicación los rsultados d la tabla Cuáls son las limitacions para a) una polarización dircta, b) una polarización invrsa? 8

9 Laboratorio d Elctrónica d Dispositivos Emplar para la xplicación las hojas d spcificacions proporcionadas. 3. Cómo idntificarías l ánodo y cátodo d un diodo qu no stuvira marcado a partir dl montaj xprimntal d la Fig. 7? 9