Introducción a diodos semiconductores
Objetivos del experimento. A. Identificar ánodo y cátodo, y probar un diodo semiconductor realizando una prueba de resistencia directa-inversa usando un óhmetro. B. Observar la forma en que los voltajes de polarización directa e inversa afectan el flujo de la corriente a través de un diodo semiconductor. C. Mostrar la relación entre el voltaje y la corriente de un diodo semiconductor trazando una curva. Conceptos básicos. 1. Un diodo de unión PN es un dispositivo semiconductor que permite que la corriente fluya a través de él sólo en una dirección. 2. El material de tipo P (positivo) de una reunión PN es el ánodo, en tanto que el material de tipo N (negativo) es el cátodo. 3. El ánodo debe tener un voltaje positivo aplicado a él (con respecto al cátodo) para permitir que fluya corriente a través del diodo.
4. Los diodos semiconductores tienen baja resistencia directa v muy elevada resistencia inversa. Información preliminar. La electrónica se refiere a la teoría y aplicación de dispositivos que controlan la corriente y el voltaje. Entre éstos se incluyen los dispositivos semiconductores (de estado sólido) como son los diodos. Los semiconductores (como lo indica su nombre) son materiales cuya resistividad está entre la de los conductores y de los aislantes. Un diodo semiconductor se hace de materiales que son conductores parciales, generalmente silicio o germanio. Parte del semiconductor se trata de tal manera que tenga un exceso de electrones (material de tipo N). La otra parte del semiconductor se trata para que tenga una deficiencia de electrones (material de tipo P). A este tipo de diodo con frecuencia se le llama unión PN. Vea la fig.24.1 (a).
En la unión entre las dos clases de material se forma una barrera de voltaje, que impide que los electrones del material tipo N pasen al material P. Sin embargo, cuando se aplica un voltaje con las polaridades como se muestra, se vence la barrera y los electrones fluyen desde N a P. Bajo esta condición se dice que la unión está polarizada directamente. La corriente sigue fluyendo mientras se mantenga el voltaje aplicado. Cuando se invierte la polaridad del voltaje aplicado, fluye poca o ninguna corriente a través de la unión PN. Bajo esta condición se dice que la unión PN está polarizada en forma inversa. La corriente convencional fluye a través del diodo
en dirección de la flecha, en tanto que los electrones fluyen en dirección opuesta a la de la flecha. En la fig. 24-.1 (b) se muestra el símbolo de diagrama utilizando, para todos los diodos de estado solido. En el símbolo se muestran las polaridades de voltaje necesarias para que fluya la corriente. El diodo semiconductor se utiliza en electrónica como un rectificador, detector, fijador, limitador e interruptor lógico. Algunos diodos se fabrican para soportar cientos de amperes de corriente, en tanto que se puede requerir que otros detecten señales de radio muy débiles y se puede diseñar otros más para que pasen rápidamente del estado conductor al no conductor. El diodo ideal presenta las mismas características que un interruptor; cuando se le polariza en dirección directa, tiene resistencia cero (está en cortocircuito) y puede fluir la máxima corriente a través de él; cuando se polariza en la dirección inversa, tiene resistencia infinita (circuito abierto) y no pasa corriente a través de el. Naturalmente, no existe el diodo ideal. Todos los diodos polarizados directamente tienen una caída de voltaje a través de ellos cuando fluye la corriente y todos los-diodos polarizados inversamente tienen cierto flujo de corriente inversa o de fuga. En la fig. 24-2. se muestra una curva característica típica, de un diodo, que muestra que se necesita muy poco voltaje de polarización directa para producir un gran flujo de corriente, y naturalmente lo contrario también es cierto se necesita un voltaje de polarización inversa muy alto para producir un flujo de corriente inversa. Generalmente el voltaje inverso está en decenas o centenas de volts, en tanto que el voltaje directo es en décimos de volts. La curva muestra una corriente de fuga muy pequeña (en micro amperes) cuando el diodo está en polarización inversa. Al aumentar el voltaje inverso a través del diodo llega a un punto en que ocurre un corte de voltaje, que hace que la pequeña corriente de fuga aumente muy rápidamente; el diodo se daña si el circuito no limita la corriente máxima y la temperatura de la unión.
Equipo y materiales Fuente de energía
0-40Vcd, 10mA
Miliamperímetro
0-0.1/10mAcd
Voltímetro
0'3Vcd
VTVM Dispositivo de capacitación en electrónica CR1-CR4
Diodos de silicio
R1 -
10kΩ, 1w
Tablero universal K para experimentos
Procedimiento del experimento Objetivo A. Identificar ánodo y cátodo, y probar, un diodo semiconductor realizando una prueba de resistencia directa-inversa usando un óhmetro. 1. a) Examine los cuatro diodos de silicio CR|-CR4 e identifique las terminales cátodo ánodo. Por lo general se marca el extremo de cátodo de un diodo mediante una banda circular o un punto de pintura en el encapsulado o punta A veces se marca el símbolo de diodo en el
encapsulado. Describa la manera en que están marcado' los cátodos de los diodos CR1-CR4. Si el diodo no está marcado, se determino con sencillez cuál es el ánodo y cuál el cátodo mediante una comprobación de resistencia. b) Primero debe determinar con un voltímetro la polaridad de la fuente de voltaje del óhmetro en las puntas. Ponga al VTVM en la función Ω en el rango de R X 1 y fije el voltímetro de cd en el rango de 0.-3Vcd. c) Conecte la punta común del VTVM a la terminal negativa del voltímetro de cd. Conecte la punta del óhmetro del VTVM a la terminal positiva del voltímetro de cd. d) Anote la polaridad de las puntas del voltímetro y el voltaje que indica éste.
punta común =………………………….. punta del óhmetro =…………………………… Rango Rx1 =…………………………….Vcd Debe medir +1.5Vcd, que indica que el óhmetro suministra un voltaje de cd al hacer mediciones de resistencia. Ya que el voltímetro se mueve escala arriba, la polaridad de las puntas del óhmetro debe correcta; la punta del óhmetro es positiva y la punta común es negativa. Esto no es necesariamente cierto con todos los óhmetros. e) Verifique que la fuente de voltaje del óhmetro en las puntas permanezca constante al pasar los rangos de resistencias de R x 10 y R X 100 a R x 1 MEG,lo que puede hacer conectando otro VTVM de alta impedancia de entrada a las puntas del óhmetro en lugar del voltímetro de tablero. La corriente que consume el voltímetro de tablero de impedancia relativamente baja produce un error al medir voltajes de los rangos más altos del óhmetro. Ajuste el VTVM en la función LPΩ (ohms de baja potencia) y repita la medición de voltaje del procedimiento (d) ¿El voltaje del óhmetro es mucho más bajo cuando está en la función LPΩ?..................................
El voltaje de salida del óhmetro en la función LPΩ es de sólo 136mVcd, y por tanto es demasiado bajo para que sirva para probar diodos' Para probar diodos se necesitan por lo menos de 0.7 a1.0 volts. 2. a) La prueba de óhmetro de diodo en buen estado revelará que el diodo tiene baja resistencia directa y resistencia inversa muy alta. De esa manera, si se conecta la punta positiva del óhmetro al ánodo y la punta negativa al cátodo, el diodo quedará polarizado directamente. La corriente fluye y el diodo tiene baja resistencia.Vuelva el VTVM a la función Q y ajústelo en el rango de R X 10. Ajuste la aguja a cero. b) Conecte la punta común (negativa) al extremo del cátodo de uno de los diodos de silicio y la punta de ohms (positiva) al otro extremo' Ahora el diodo está polarizado directamente' como se muestra en la fig. 24 -3 (a).
c) Mida la resistencia hacia delante de cada diodo de silicio Resistencia directa de CR1 =……………………...Ω Resistencia directa de CR2 =……………………...Ω Resistencia directa de CR3 =……………………...Ω Resistencia directa de CR4 =……………………...Ω Los diodos de silicio en buen estado deben medir entre 50 y 300 ohms en la condición de polarización directa.
d) Invierta las conexiones del diodo de manera que conecte el ánodo a la punta común del medidor y el cátodo a la punta de ohms. Ahora el diodo está en la condición de polariza inversa mostrada en la fig. 24-3 (b). Use el rango de resistencia más alto del óhmetro para medir resistencia inversa de cada diodo de silicio. Resistencia inversa de CR1 =……………………...Ω Resistencia inversa de CR2 =……………………...Ω Resistencia inversa de CR3 =……………………...Ω Resistencia inversa de CR4 =……………………...Ω
Los diodos de silicio en buen estado deben medir entre 10MΩy 1000MΩ, en una condición de polarización inversa. El valor exacto de la resistencia inversa no tiene importancia en sí mismo' La relación de la resistencia inversa a la resistencia directa determina la calidad de un diodo. La relación de la resistencia de estos diodos generalmente es mucho mayor de 10 000 a 1. Objetivo B. Observar la forma en que los voltajes de polarización directa e inversa afectan el flujo de la corriente a través de un diodo semiconductor. 3. a) Monte el circuito que se muestra en la fig. 24.4 Asegúrese de conocer correctamente la polaridad del miliamperímetro y la del diodo' La resistencia .R1 en serie se incluye sólo como dispositivo de protección, y limita la corriente de la fuente de energía a un valor seguro.
b) Gradualmente aumente el voltaje miliamperímetro indique
ES
de
la fuente hasta que el
0.02Acd de corriente
tabla 24-1 anote la caída de voltaje
EF
IF
directa del diodo En la
directa del
diodo.
La caída
de voltaje directa a 0.02 mAcd de corriente directa debe se, entre 0.35 y 0.45Vcd c) Repita y anote
EF
para cada uno de los pasos de
IF
de la tabla.
Cambie el rango del miliamperímetro a 1 mAcd cuando lo requiera. d) Regrese el voltaje a cero e invierta las conexiones del diodo de silicio e) Cambie el rango del miliamperímetro a 0.1mAcd y el rango del VTVM a 50Vcd f) Ajuste la fuente de energía a 50Vcd y mida la corriente inversa (de fuga) del diodo
IR
I R indicada =µ Acd
Debe medir entre 3.7 µA Y 4.7 µ A IF
EF
IF
EF
0.02mA
0.4mA
0.04mA
0.6mA
0.06mA
0.8mA
0.08mA
1mA
0.1mA
2mA
0.2mA
3mA
Nota: es importante recordar esta caĂda de voltaje de 0.5 a 0.7 volts debido a que es verdadera para todos los dispositivos semiconductores de silicio que contienen uniones PN tales como los diodos, transistores, SCRs, triacs y de mas. La caĂda de voltaje
correspondiente para las uniones PN en los
dispositivos semiconductores de germanio es de aproximadamente 0.3 volts
Resumen
En este experimento idéntico las terminales del cátodo y el ánodo de un diodo semiconductor usando un óhmetro; luego determino que un diodo en buen estado tiene baja resistencia cuando esta polarizado directamente
y alta
resistencia esta polarizada inversamente. También observo la manera en que los voltajes de polarización afectan el flujo de la corriente a través de un diodo. Por último, demostró la relación entre el voltaje y la corriente de un diodo semiconductor y determino la caída de voltaje para una unión PN Polarizada completamente en forma directa.
Cuestionario 1.- La terminal del lado del cátodo de un diodo semiconductor se puede identificar mediante: a) Un signo negativo (-) marcado en el encapsulad. b) Una banda circular marcada en el encapsulado. c) Un símbolo de Ω marcado en el encapsulado. d) Ninguno de los anteriores.
2.- La flecha en el símbolo de un diodo semiconductor: a) Representa el catado del diodo b) Indica que se puede variar la corriente. c) Indica que se puede variar el voltaje. d) Apunta en la dirección del flujo de la corriente convencional.
3.-Cuando un diodo semiconductor en buen estado esta polarizado directamente. a) Su resistencia directa es alta. b) Su voltaje directo es alto c) Bloquea el flujo de la corriente. d) Puede conducir corriente.
4.- Un diodo semiconductor esta polarizado directamente cuando: a) El cátodo esta negativo con respecto al ánodo b) El ánodo es positivo con respecto al cátodo c) Ni (a) ni (b) d) Tanto (a) como (b)
5.-Un diodo semiconductor en buen estado tiene: a) Baja resistencia directa y elevada resistencia inversa. b) Elevada corriente directa y baja resistencia inversa. c) Elevada resistencia inversa y elevada resistencia directa. d) Baja corriente directa y elevada corriente inversa.
6.- La caĂda de voltaje a travĂŠs de un diodo de silicio en buen estado cuando esta polarizado completamente en forma directa es: a) 0.3 V b) 50 - 7.0 V c) 0.3 -0.7 V d) 0.5 – 0.7 V