Diodos semiconductores en transición de polarización

LABORATORIO DE DISPOSITIVOS
ELECTRONICOS
COMPORTAMIENTO DE LOS DIODOS SEMICONDUCTORES EN LA TRANSICIÓN DE
POLARIZACIÓN DIRECTA A INVERSA
PRÁCTICA # 3
OBJETIVOS.− El alumno deberá:
3.1. Obtener, medir y comparar los tiempos de almacenamiento "t",. Y de decaimiento "tr" para distintos
diodos semiconductores.
3.2. Obtener y medir las variaciones en los tiempos de almacenamiento y decaimiento, por efectos de
temperatura y de la relación de corriente directa e inversa.
3.3. Contestar y entregar el cuestionario, hacer conclusiones y reportar los datos, gráficas y mediciones
llevadas a cabo durante la realización de esta practica.
EQUIPO PROPORCIONADO POR EL LABORATORIO:
OSCILOSCOPIO DE DOBLE TRAZO Y PUNTAS DE PRUEBA
GENERADOR DE SEÑALES
MULTÍMETRO ANALÓGICO Y/O DIGITAL
MATERIAL REQUERIDO QUE DEBE DE TRAER EL ALUMNO:
1 Diodo 1N4004 (Si)
1 Diodo OA81 (Ge)
1 LED rojo (Arsenuro de Galio)
1 Diodo 1N914 (Diodo de Silicio de alta velocidad de conmutación)
1 Resistor de 1 K a ½ W
Pinzas de punta, Pinzas de corte y Desarmador.
Cables: 6 caimán − caimán, 6 caimán − banana, 8 banana − banana, mínimo de 50cm de longitud.
Tablilla de conexiones (protoboard).
4 cables coaxiales que tengan en un extremo terminación BNC y en el otro caimanes.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
1
Para el buen desarrollo experimental de esta practica y la obtención de los objetivos de la misma, será
requisito indispensable que el alumno presente por escrito, en forma concisa y breve, la teoría básica y su
interpretación en lo que se refiere a los tiempos de almacenamiento y decaimiento en diodos semiconductores.
3.1. Obtener, medir y comparar los tiempos de almacenamiento ts y decaimiento tf para distintos
diodos semiconductores.
• Armar el circuito de la figura 3.1., colocar el canal X y el canal Y del osciloscopio tal como se muestra en
la figura (usar el osciloscopio con base de tiempo interna). Usando el generador aplicar al circuito una señal
cuadrada de 10V pico y 100KHz.
Figura 3.1
Colocar uno a uno los diodos, en el orden indicado en la taba 3.1. y medir en cada caso, los tiempos de
almacenamiento, decaimiento y de recuperación inversa, así. como la corriente directa a inversa
respectivamente.
TIEMPOS DE ALMACENAMIENTO Y DECAIMIENTO PARA DISTINTOS DIODOS
(APLICANDO SEÑAL CUADRADA DE 10 V. Y 100 khZ.)
DIODO
ts (s)
tf (s)
trr = ts + tf (s)
1N4001
2
2.8
4.8
0AB1
0
0
0
LED ROJO
0
0
0
1N914
0
0
0
I0 (mA)
9
0
0
0
If (mA)
9
0
0
0
3.1.3. Reportar en la figura las gráficas que se observan en la señal del circuito de la figura 3.1 (Canal Y).
Figura 3.2 Gráficas que muestran los tiempos de almacenamiento y decaimiento para distintos diodos
semiconductores.
Diodo 1N4004 LED rojo
Diodo OA81 Diodo 1N914
3.2. Obtener y medir las variaciones en los tiempos de almacenamiento y decaimiento, por efecto de
temperatura y de la relación de corriente directa e inversa.
2
3.2.1. Usando el mismo circuito de la figura 3.1, disminuir el voltaje pico de la señal cuadrada del generador a
3 Vp, conservando la misma frecuencia y medir nuevamente los tiempos de almacenamiento y decaimiento,
así como las corrientes directa e inversa respectivamente, reportándolas en la tabla 3.2.
• Sólo para el diodo de 1N914, observe y reporte los resultados que se obtienen (en la misma tabla 3.2.),
cuando se acerca un cerillo encendido por tiempo no mayor a 5s.
TIEMPOS DE ALMACENAMIENTO Y DECAIMIENTO PARA DISTINTOS DIODOS
(APLICANDO UNA SEÑAL CUADRADA DE 3 V Y 100KHZ)
DIODO
ts (s)
tf (s)
trr = ts + tf (s)
I0 (ma)
IF (ma)
1N4001
1.2
1.8
3
2.3
−2.3
0A81
0
0
0
2.4
−2.4
LED ROJO
0
0
0
1
−1
1N914 (t − tA) 0
0
0
2.2
−2.2
1N914 (t > tA) 0
0
0
2.4
0
3.3. Contestar y entregar el cuestionario, hacer conclusiones y reportar los datos, gráficas y mediciones
llevadas a cabo durante la realización de esta practica.
• De los cuatro diodos usados en esta practica, ¿cual de ellos presentó menor tiempo de almacenamiento y
decaimiento?, en el caso en que se aplico la señal de 10 V y 100KHz.
No se pudo observar alguna diferencia en las mediciones de los tiempos de decaimiento y almacenamiento en
los cuatro diodos usados, suponemos que se debe a la calidad del equipo existente en el laboratorio. Será de
suponerse que el diodo que presentará menores tiempos de almacenamiento y decaimiento es el 1N914,
puesto que es descrito por ECG como un diodo Fast switching, 4nanosec, 100v PRV; esto indica que tendrá
un tiempo máximo de recuperación entre el almacenamiento y el decaimiento de 4 nanosegundos.
3.3.2. Para cada uno de los diodos usados, indique cual es el tiempo trr que especifica el fabricante
1N4001= No especifica
1N914 = 8 y 4nanosegundos, dependiendo de la corriente que por éste circule
OA81 = No especifica
LED = No especifica
3.3.3. ¿Cómo se modifico el valor de los tiempos de almacenamiento y decaimiento, de todos los diodos,
cuando se disminuyó el voltaje pico del generador a 3 V?. ¿Es este resultado congruente con la teoría?.
Explique.
Al disminuir el voltaje, disminuyen a su vez los tiempos de almacenamiento y decaimiento, esto es
congruente porque el dido es sometido a una menor tensión y por tanto los portadores mayoritarios y
minoritarios del semiconductor deben realizar menores cambios internos y por logica en menor tiempo para
lograr la transición de conducción a rectificación.
3.3.4. ¿Como afecta a los tiempos de almacenamiento y decaimiento, el aumento de la temperatura ambiente?.
¿Es este resultado congruente con lo esperado?. Explique.
3
Se espera siempre que un semiconductor modifique su comportamiento conductivo en relación a la
temperatura , y al contrario de los conductores normales de metal, al calentar un semiconductor mejora la
conducción, es decir, disminuye el voltaje de umbral en un diodo, esto nos lleva a un resultado ya obtenido y
es que al disminuir el voltaje en un diodo, el voltaje que debe disipar la resistencia es mayor, y por tanto
mayores son los tiempos de almacenamiento y decaimiento del diodo entre mayor sea la temperatura.
3.3.5. ¿Porqué cuando el voltaje pico del generador se disminuye a 3 V, se observa que la corriente inversa es
apreciablemente mayor que la corriente directa (aproximadamente del doble)?. Explique.
Esto se debe a que al disminuir el voltaje, se aplica menos tensión a los portadores internos del semiconductor,
y esto nos lleva a una mayor libertad para desplazarse internamente, así, al ocurrir un cambio en la
polarización existe una menor resistencia al cambio de la corriente y se presenta en forma mayor entre menor
sea el voltaje.
• Defina con palabras que se entiende como:
Tiempo de almacenamiento, tiempo de decaimiento y tiempo de recuperación inverso.
Tiempo de almacenamiento: Es el tiempo necesario después de un cambio de polaridad en el diodo para que
los portadores minoritarios regresen a su estado de portadores mayoritarios en el material opuesto.
Tiempo de decaimiento: Una vez que la unión pn regresa a su estado normal de polarización inversa y
terminando el tiempo de almacenamiento, ocurre un estado transitorio de conducción inversa de corriente
hasta la rectificación del voltaje de polarización inversa, este tiempo necesario para que la corriente caiga en
forma exponencial es el tiempo de decaimiento.
Tiempo de recuperación inverso: Es la suma de los tiempos de almacenamiento y de decaimiento, y tal
periodo de tiempo nos indica el tiempo total durante el cual, después de un cambio de polarización directa a
inversa en un diodo, no obtenemos la respuesta ideal en el dispositivo, es decir, una señal rectificada.
CONCLUSIONES
La realización de la presente práctica, nos permitió conocer la importancia de las velocidades de
operación en los diferentes tipos de diodos utilizados, puesto que una elección equivocada en el
momento de diseñar o sustituir un diodo en algún circuito puede llevar a dañarlo por no poder operar a
la velocidad requerida
4