Física y matemáticas del diodo en operación: Polarización directa, características ideales y semiconductores

TRABAJO COLABORATIVO 2

Presentado por:

ALEXANDER GARCIA ABELLO

Presentado a:

Andrés Felipe Tarazona

UNIVERSIAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD

Facultad de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería

Programa de: Ingeniería Electrónica

Curso de: Física de Semiconductores

Ibagué 2012

INTRODUCCION

Este trabajo está basado en el contenido de la unidad dos de física de semiconductores en el cual nos introduce hacia el transistor como dispositivo electrónico semiconductor, ya que ha originado una evolución en el campo electrónico, y a reconocer su componentes y funcionamiento físico a demás aprender a desarrollar los diferentes métodos matemáticos para reconocer sus estados de funcionamiento, como son corte, activo y saturación.

OBJETIVOS

• Comprender por medio de la interacción en el foro y el trabajo colaborativo, el tema planteado.

• Reforzar las temáticas relacionadas sobre los diodos en operación y la polarización directa.

• Reconocer las características de un diodo ideal.

• Entender y analizar las ecuaciones que conforman y explican las características y mediciones de los diodos.

• Generar en los estudiantes competencias de tipo cognoscitivo y de tipo comunicativas a través de la interacción con los compañeros y de los aportes en el foro.

• Contextualizar los conocimientos estudiados en la unidad 3 del módulo del curso de física semiconductor.

ACTIVIDAD

FISICA Y MATEMATICA DEL DIODO EN OPERACIÓN (POLARIZACION DIRECTA)

Diodo Ideal

Diodo ideal es un dispositivo construido con dos terminales y con unas características tal como se muestran en las figuras.

Figura No. 1.1 Diodo ideal. (a) Símbolo; (b) Característica

El diodo ideal tiene características semejantes a la de un interruptor solo permite la conducción de corriente en una sola dirección. En la dirección que indica la flecha en la figura 1.1a. Donde uno de sus terminales, el cual se llama ánodo, tiene aplicado un potencial positivo (indicado en la gráfica con el signo +), y en el otro terminal, el cual se llama cátodo, tiene aplicado un potencias negativo. De esta forma, el diodo ideal cumple con lo siguiente:

= 0 Ω Circuito cerrado (1.1)

Donde, RF es el valor de la resistencia directa.

VF es el valor del voltaje de polarización directa.

IF es el valor de la corriente a través del mismo.

K es cualquier valor positivo de corriente.

Si invertimos la polarización, esto es al ánodo le aplicamos el potencial negativo y al cátodo el positivo, entonces se cumple con:

Circuito abierto (1.2)

Donde, RR es el valor de la resistencia inversa.

VR es el valor del voltaje de polarización inversa.

IR es el valor de la corriente a través del mismo.

K es cualquier potencial de polarización inversa.

Gráficamente podemos concluir:

• Cuando un diodo ideal esta polarizado directamente tenemos un cortocircuito.

Los semiconductores advirtiendo que el germanio (Ge) y el silicio (Si) no son los únicos dos materiales semiconductores, pero ellos son los que más se han trabajado en el desarrollo de dispositivos semiconductores. Pues estos materiales poseen una consideración especial, se pueden fabricar con un alto nivel de pureza. Esto es fundamental, porque si los niveles de impurezas son mayores se puede pasar de un material semiconductor a uno conductor. La otra razón importante para que el silicio y el germanio sean tenidos en cuenta en la fabricación de semiconductores está en la habilidad para transformar significativamente las características del material en un proceso llamado dopado. Además, pueden ser modificados por otros métodos como la aplicación de luz o de calor.

Vamos a representar un cristal de silicio de la siguiente forma:

Representación de un cristal de silicio

Cada átomo de silicio comparte sus 4 electrones de valencia con los átomos vecinos, de tal manera que tiene 8 electrones en la órbita de valencia. La fuerza del enlace covalente es tan grande porque son 8 los electrones que quedan (aunque sean compartidos) con cada átomo, gracias a esta característica los enlaces covalentes son de una gran solidez.

Según un convenio ampliamente aceptado tomaremos la dirección de la corriente como contraria a la dirección de los electrones libres.

Grafica de movimiento de electrones en el silicio.

En la figura vemos que los electrones libres (electrones) se mueven hacia la izquierda ocupando el lugar del hueco. Los electrones ligados (huecos) se mueven hacia la derecha.

Carga del electrón libre = -1.6x10-19 Culombios.

Carga de electrón ligado = +1.6x10-19 Culombios.

Diodo semiconductor.

Los semiconductores tipo p y tipo n separados no tienen mucha utilidad, pero si un cristal se dopa de tal forma que una mitad sea tipo n y la otra mitad de tipo p, esa unión PN tiene unas propiedades muy útiles y entre otras cosas forman los "Diodos".

Entonces la representación de un semiconductor tipo n sería:

Y la de un SC tipo p:

La unión de las regiones p y n será:

Al juntar las regiones tipo p y tipo n se crea un "Diodo de unión" o "Unión pn".

Zona de deplexión

Los dipolos tienen un campo eléctrico entre los iones positivo y negativo, y al entrar los electrones libres en la zona de deplexión, el campo eléctrico trata de devolverlos a la zona n. La intensidad del campo eléctrico aumenta con cada electrón que cruza hasta llegar al equilibrio.

El campo eléctrico entre los iones es equivalente a una diferencia de potencial llamada "Barrera de Potencial" que a 25 ºC vale:

 0.3 V para diodos de Ge.

 0.7 V para diodos de Si.

Polarizar: Poner una pila o fuente de voltaje DC.

Si el terminal positivo de la fuente está conectado al material tipo p y el terminal negativo de la fuente está conectado al material tipo n, diremos que estamos en "Polarización Directa".

La conexión en polarización directa tendría esta forma:

Figura Polarización directa

En este caso tenemos una corriente que circula con facilidad, debido a que la fuente obliga a que los electrones libres y huecos fluyan hacia la unión. Al moverse los electrones libres hacia la unión, se crean iones positivos en el extremo derecho de la unión que atraerán a los electrones hacia el cristal desde el circuito externo. Así los electrones libres pueden abandonar el terminal negativo de la fuente y fluir hacia el extremo derecho del cristal. El sentido de la corriente lo tomaremos siempre contrario al del electrón.

Sentido del movimiento del electrón libre (e-) y de la corriente (I).

Lo que le sucede al electrón: Tras abandonar el terminal negativo de la fuente entra por el extremo derecho del cristal. Se desplaza a través de la zona n como electrón libre. En la unión se recombina con un hueco y se convierte en electrón de valencia. Se desplaza a través de la zona p como electrón de valencia. Tras abandonar el extremo izquierdo del cristal fluye al terminal positivo de la fuente.

Circuitos equivalentes para diodos.

Se define un circuito equivalente como una combinación de elementos elegidos de forma apropiada para representar de la mejor manera las características terminales reales de un dispositivo, sistema o similar, para una región de operación particular.

La idea es sustituir por un circuito equivalente que no afecte de forma importante el comportamiento real del sistema. Para poder conseguir una red que pueda resolverse con las técnicas tradicionales de análisis de circuitos. La forma más fácil de hacerlo es mediante el uso de segmentos donde los comportamientos son lineales. Aun cuando no se represente de forma exacta las características reales del dispositivo o sistema. Sin embargo, el resultado está muy aproximado a la curva real, lo cual, establece un circuito equivalente que proporciona una muy buena aproximación al comportamiento real del dispositivo.

Previamente debemos tener en cuenta, en el comportamiento la función resistiva que posee el diodo. Antes de ver el diodo vamos a ver las características de la resistencia.

La resistencia de carbón típica está formada por polvo de carbón machacado. Son importantes las dimensiones del carbón.

Análisis de una resistencia

Para analizar el comportamiento de esa resistencia la polarizaremos primero en directa. Se toman los valores con un Amperímetro y un Voltímetro y se representa la I en función de V, con lo que tendremos el comportamiento de la resistencia.

Comportamiento de una resistencia en la región de polarización directa.

Entonces al final nos

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