Práctica de laboratorio con diodos de silicio y germanio

> Laboratorio Nº3: Practica N°3

Caradtaristica I - V del diodo de union
Informe N°3

Practica N°3

John Francisco Chia Coronado - Cod. xxxxxxxxxxx
Daniel Santiago Cerquera Cuvides - Cod. xxxxxxxxxxx
Ing. Electrónica – Analógica I
Universidad Surcolombiana
12/10/2023

(Nota: Use este contenido como ejemplo, no copie directamente lo aquí expuesto o uselo bajo su responsabilidad)

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El informe presentado a continuación presenta un practica de laboratorio con diodos de silicio y germanio, se centra en explorar las propiedades y aplicaciones de estos materiales semiconductores esenciales en electrónica. Los objetivos incluyen la medición de características eléctricas clave como la tensión de encendido y la corriente de fuga inversa, la construcción de circuitos y la comparación de comportamientos entre diodos de silicio y germanio. Además, la práctica enfatiza la contextualización de la teoría y el desarrollo de habilidades de laboratorio para una comprensión integral de estos componentes electrónicos.

Palabras claves — Diodos, Silicio, Germanio, Semiconductores, Polarización, Tensión de encendido (Vf), Corriente de fuga inversa (Ir), Región de operación, Curvas V-I, Polarización directa, Polarización inversa.

1. OBJETIVOS

• Diferenciar diodos de silicio y germanio por sus características físicas y simbología.

• Medir y registrar las características eléctricas de un diodo de silicio en la región de polarización directa (tensión de encendido y corriente de fuga inversa).

• Medir y registrar las características eléctricas de un diodo de germanio en la región de polarización directa (tensión de encendido y corriente de fuga inversa).

• Construir y analizar circuitos prácticos que empleen diodos de silicio y germanio, como rectificadores de corriente alterna.

• Comprender las diferencias clave en las propiedades eléctricas entre diodos de silicio y germanio.

1. JUSTIFICACIÓN

Una práctica de laboratorio con diodos de silicio y germanio es esencial para comprender las propiedades de los materiales semiconductores, aplicar conocimientos teóricos en un entorno práctico y adquirir habilidades de medición y caracterización de diodos. Explorar las diferencias entre diodos de silicio y germanio permite una comprensión más profunda de sus propiedades eléctricas y aplicaciones prácticas en la electrónica. Además, la práctica desarrolla habilidades de laboratorio y contextualiza la teoría, lo que facilita la comprensión de su aplicación en proyectos futuros en electrónica y la ingeniería eléctrica.

1. MARCO TEÓRICO

Los diodos son componentes electrónicos fundamentales que se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones en electrónica. Estos dispositivos de dos terminales están hechos principalmente de materiales semiconductores, como el silicio o el germanio, y desempeñan un papel crucial en la manipulación de la corriente eléctrica en circuitos electrónicos.

[pic 1]

Un diodo es un dispositivo semiconductor de dos terminales que permite el flujo de corriente eléctrica en una dirección (directa) y bloquea el flujo en la otra dirección (inversa). Los diodos se fabrican mediante la unión de dos regiones semiconductoras, una de tipo P (con exceso de huecos) y otra de tipo N (con exceso de electrones). Esta unión se denomina "unión PN" y es la base del funcionamiento de los diodos.

[pic 2]

Cuando se aplica una tensión positiva (directa) al diodo, los electrones de la región N son atraídos hacia la región P, y comienzan a fluir desde el ánodo (terminal P) hacia el cátodo (terminal N) del diodo, permitiendo la corriente eléctrica en esa dirección. En cambio, cuando se aplica una tensión inversa, se crea una barrera de energía que impide que los electrones fluyan desde el cátodo hacia el ánodo, bloqueando la corriente.

[pic 3]

Como se menciono anteriormente existen diferentes condiciones de funcionamiento para el diodo en un circuito, estas son llamadas regiones de operación del diodo y describen cómo el diodo responde a la tensión y la corriente aplicadas y se utilizan para comprender su comportamiento en diversas situaciones

Región de Polarización Directa: Cuando se aplica una tensión directa positiva al diodo (el ánodo es más positivo que el cátodo), la curva V-I muestra que inicialmente, la corriente aumenta de manera exponencial con la tensión. Esto se debe a que se supera la barrera de energía en la unión PN y los electrones pueden fluir libremente a través del diodo. Sin embargo, es importante destacar que hay un valor mínimo de tensión conocido como "tensión umbral" o "voltaje de encendido" (Vf) que debe superarse para que el diodo permita el paso de corriente de manera significativa. El voltaje de encendido es característico de cada tipo de diodo y puede variar, pero típicamente se encuentra en el rango de 0.6 a 0.7 voltios para diodos de silicio y alrededor de 0.3 voltios para diodos de germanio. Por debajo de este voltaje, la corriente a través del diodo es muy pequeña.

Punto de Ruptura (knee voltage): A medida que la tensión directa aumenta por encima del voltaje de encendido, la corriente comienza a aumentar más lentamente. Este punto se conoce como el punto de ruptura o knee voltage (Vf), y es donde la corriente comienza a saturarse. La corriente sigue aumentando, pero a un ritmo mucho más lento.

Región de Polarización Inversa: En la región de polarización inversa, cuando se aplica una tensión inversa (el cátodo es más positivo que el ánodo), la corriente es prácticamente nula, y la curva V-I muestra una corriente de fuga muy pequeña y constante (corriente inversa de fuga, Ir). La tensión inversa (Vr) aumenta, pero la corriente permanece en el rango del nA (nanoamperio).

[pic 4]

También exsten otras caracteriscas a tomar en cuenta para analizar del diodo en circuitos como:

Resistencia Estática (o Resistencia DC): La resistencia estática de un diodo se refiere a su resistencia en corriente continua (DC). Representa la resistencia aparente del diodo cuando está en conducción directa (on) y se mide mediante la ley de Ohm, R = V/I, donde R es la resistencia, V es el voltaje y I es la corriente. En conducción directa, un diodo tiene una resistencia estática baja y se comporta como un cortocircuito prácticamente, lo que significa que ofrece poca resistencia al flujo de corriente en esa dirección.

Resistencia Dinámica (o Resistencia AC): La resistencia dinámica de un diodo es una medida de cómo cambia la caída de voltaje a través del diodo en respuesta a cambios en la corriente. Es una resistencia que varía con la operación del diodo y es más útil en circuitos de corriente alterna (AC). La resistencia dinámica se calcula como el cambio en la tensión directa (Vf) dividido por el cambio en la corriente directa (If). Esta resistencia dinámica es pequeña y se utiliza para analizar las variaciones en la caída de voltaje en diodos en circuitos de alta frecuencia.

Con esto dicho durante la practica de laboratorio se plantean dos circuitos o montajes, el primero con el fin de polarizar de forma directa dos diodos (sustituyéndolos), uno de silicio y otro de germanio, tomar medidas y apartir de ellas calcular otras variables, y en el segundo circuito los diodos son polarizados de forma inversa, para tomar medidas y apartir de ellas obtener otras variables.

1. MATERIALES E INSTRUMENTACIÓN

1. Diodos:

• Diodo de silicio
• Diodo de germanio

1. Resistencias:

• Resistores de 1kΩ
• Resistores de 1MΩ

1. Fuentes de Alimentación:

• Fuente de voltaje regulada

1. Equipamiento de Medición:

• Multímetro Digital (DMM)
• Software multisim (para simulaciones)

1. DESARROLLO ANALITICO

En este punto el circuito es analizado y simulado, y los resultados obtenidos son expuestos en la sección VII

Circuito N°1:

Para este primer circuito se hace uso de un diodo silicio:

[pic 5]

Se calcula la corriente en el circuito, según se va aumentando el voltaje que cae sobre la resistencia de 1k:

Siguiendo lo anterior se obtiene la corriente para el resto de los datos hasta tener 10V en el resistor de 1kΩ.

Ahora los datos obtenidos durante la practica y la corriente calculada se grafican y apartir de ella es posible obtener un aproximado de la resistencia estática del diodo de silicio en determinados valores de corriente en el circuito:

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