Diodos electronica (semiconductores)

DIODO SEMICONDUCTOR
Entrando al avance de la física del estado sólido en el
campo de los semiconductores.
ESTUDIO DE LA FISICA ELECTRONICA
La electrónica es el estudio y el desarrollo del campo de
la física que gracias al estudio teórico de grandes teorías
matemáticas, químicas y físicas se dan a revelar en
experimentos aplicables y usables para el uso de los
humanos y en general para la vida lo cual tienen
distintas aplicaciones como para descubrir el
funcionamiento real del universo.
DAYGORD MENDOZA ROJAS
FISICA ELECTRONICA I - PRACTICA DE LABORATORIO #2

INDICE
1. OBJETIVOS________________________________________________________ 2
2. INSTRUMENTOS ___________________________________________________ 2
3. BASE TEÓRICA. ____________________________________________________ 2
4. MONTAJE Y PROCEDIMIENTO.________________________________________ 8
5. RESULTADOS______________________________________________________ 9
6. GRAFICAS ________________________________________________________ 9
Grafica para los datos obtenidos de ______________________________ 9
7. CONCLUSIONES: __________________________________________________ 10
8. BIBLIOGRAFÍA ____________________________________________________ 10

1. OBJETIVOS
 Comprender como el diodo conduce la corriente en una sola dirección.
 De que están compuestos los diodos.
 Como es el funcionamiento de los semiconductores.
 Como los diodos actúan como un semiconductor.
 Que es un diodo rectificador.
 Obtener la curva , de un diodo utilizando normalmente un diodo rectificador.
2. INSTRUMENTOS
 Cargador de celular de 5V.
 Un potenciómetro de 50 KΩ.
 Una resistencia de 1KΩ.
 Un diodo de silicio
 Un voltímetro digital
 Un protoboard.
 Alambre telefónico.
3. BASE TEÓRICA.
Los primeros diodos eran válvulas o tubos de vacío, también
llamados válvulas termoiónicas constituidas por dos electrodos
rodeados de vacío en un tubo de cristal, con un aspecto similar al
de las lámparas incandescentes. El invento fue desarrollado en 1904
por John Ambrose Fleming, empleado de la empresa Marconi,
basándose en observaciones realizadas por Thomas Alva Edison.
Al igual que las lámparas incandescentes, los tubos de vacío tienen un filamento (el cátodo) a
través del cual circula la corriente, calentándolo por efecto Joule. El filamento está tratado con
óxido de bario, de modo que al calentarse emite electrones al vacío circundante los cuales son
conducidos electrostáticamente hacia una placa, curvada por un muelle doble, cargada
positivamente (el ánodo), produciéndose así la conducción. Evidentemente, si el cátodo no se
calienta, no podrá ceder electrones. Por esa razón, los circuitos que utilizaban válvulas de vacío
requerían un tiempo para que las válvulas se calentaran antes de poder funcionar y las válvulas
se quemaban con mucha facilidad.
El diodo semiconductor:
Es un dispositivo electrónico que conduce corriente en un solo sentido, lo cual necesita un
voltaje mínimo de 0.7 V. que posee el diodo se silicio para conducir corriente.
También es un dispositivo electrónico semiconductor que se encuentra constituido por la
unión de los cristales de silicios o germanio de tipo P Y N.
Estudio de un semiconductor:
Semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como un aislante
dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la
presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los
elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla adjunta.

Elemento Grupos Electrones en
la última capa
Cd 12 2 e-
Al, Ga, B, In 13 3 e-
Si, C, Ge 14 4 e-
P, As, Sb 15 5 e-
Se, Te, (S) 16 6 e-
El elemento semiconductor más usado es el silicio, el segundo el germanio, aunque idéntico
comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos 12 y 13 con los de
los grupos 16 y 15 respectivamente (GaAs, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). Posteriormente se
ha comenzado a emplear también el azufre.
Tipos de semiconductores:
SEMICONDUCTORES INTRINSECOS:
Es un cristal de silicio o germanio que forma una
estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces
covalentes entre sus átomos. Cuando el cristal se encuentra a
temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energía
necesaria para saltar a la banda de conducción dejando el
correspondiente hueco en la banda de valencia (1). Las energías
requeridas, a temperatura ambiente, son de 1,12 eV y 0,67 eV para el
silicio y el germanio respectivamente.
Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los
electrones pueden caer, desde el estado energético correspondiente a la banda de
conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno se le
denomina recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de
creación de pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de
electrones y huecos permanece constante. Siendo "n" la concentración de electrones
(cargas negativas) y "p" la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que:
ni = n = p
Siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura y
del tipo de elemento.
Semiconductores extrínsecos
Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje
de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina
extrínseco, y se dice que está dopado. Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de
la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio. Hoy en día se han

logrado añadir impurezas de una parte por cada 10 millones, logrando con ello una
modificación del material.
Semiconductor tipo N
Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un
cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de
carga libres (en este caso negativos o electrones).
Cuando se añade el material dopante, aporta sus electrones más débilmente vinculados a los
átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material
donante, ya que da algunos de sus electrones.
El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el
material. Para ayudar a entender cómo se produce el dopaje tipo n considérese el caso
del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma
un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco
electrones de valencia, tales como los del grupo 15 de la tabla periódica
(ej. fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un
átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no
enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de "electrones libres", el número
de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso los
electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A
causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que "dar",
son llamados átomos donadores. Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca
está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene
una carga eléctrica neta final de cero.
Semiconductor tipo P
Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un
cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de
carga libres (en este caso positivos o huecos).
Cuando se añade el material dopante libera los electrones más débilmente vinculados de los
átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y
los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos.
El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un
átomo tetravalente (típicamente del grupo 14 de la tabla periódica) se le une un átomo con
tres electrones de valencia, tales como los del grupo 13 de la tabla periódica (ej. Al, Ga, B, In), y
se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá
tres enlaces covalentes y un hueco producido que se encontrará en condición de aceptar un
electrón libre.
Así los dopantes crean los "huecos". No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la
red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve
equilibrado como una cierta carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son
añadidos, los huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los
huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores

minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas
de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural.
Tipos de diodo semiconductor:
Según la fabricación, funcionamiento y características electrónicas, hay diferentes tipos de
diodos las cuales las vamos a dividir en dos grupos principales:
Los más comunes:
Diodo led, diodo rectificador, diodo Zener.
Los no tan comunes:
Diodo láser, diodo túnel, diodo schotty, diodo pin, diodo gunn, diodo emisor de luz,
fotodiodos, diodos de punta de contacto.
Funcionamiento de un diodo semiconductor:
Podemos decir un diodo es un compuesto de una sola vía, es decir que solo deja pasar a través
de él la corriente eléctrica o flujos de electrones en un solo sentido, si se aplica la corriente en
el sentido contrario, el diodo no conduce corriente.
Un diodo PN es esencialmente la unión de un marial PN es un material N la cual se llama
cultura PN, el material prescindible el cual tiene un ánodo o positivo (+) atrae los neutrones
emitida al cátodo y el material N recibe el nombre de cátodo (-) que emite con los electrones.
Cuando el diodo esta personalizado o conectada a una fuente de voltaje hay un exceso de
electrones en el lado (N) y un exceso de huecos en el lado (P), por lo tanto en el tramo que los
une por ser dos capacidades de material semiconductor algunos electrones son atraídas por
unos huecos por el lado (P) mediante un proceso de difusión.
En el diodo PN el proceso de intercambios de carga es continua hasta que se forma entre ellas
una barrera eléctrica de voltaje que impide el paso de algunos portadores minoritarios de
electrones.
Dicha barrera es llamada zona de agotamiento y tarda un poco de tiempo en formar, así en el
límite del material tipo (N) queda cargado positivamente (+) y el material tipo (P) queda
cargado negativamente (-), creando una diferencia pequeña pero de gran importancia.
El diodo Rectificador:
Características: Cuando este componente se le aplica un voltaje de corriente continua, hay dos
propiedades, si el voltaje es positivo se le aplica al ánodo lo cual hay una polarización directa, y
en el caso contrario cuando el voltaje positivo se le aplica al cátodo se dice que hay una
polarización inversa.

a) Polarización inversa: Si se polariza inversamente con la
unión PN, es decir se le aplica voltaje externo, el efecto de
la barrera, el efecto de la barrera se intensifica debido a
que el terminal positivo de la fuente atrae a los electrones
del material tipo N y el polo negativo atrae los huecos del
material tipo P, haciendo más ancha la zona de
agotamiento y la unión presenta una alta resistencia al
paso de la corriente, comportándose como un aislante
solo unos pocos portadores minoritarios logran atravesar la barrera formando la
denominada corriente de fuga que es pequeña cuando el voltaje en forma inversa
aumenta hasta cierto valor, si esta corriente se hace muy grande puede destruir al
diodo.
b) Polarización directa: Si la unión PN se polariza
directamente la barrera se disminuye ya que el polo
positivo de la batería repele los huecos del material tipo P
y su polo negativo repele los electrones del material tipo
N haciendo que atraviese la unión.
Bajo esta condición la unión PN presenta una resistencia
muy baja al paso de la corriente comportándose como un
conductor.
CURVA CARACTERISTICA DEL DIODO:
 Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ ).
La tensión umbral (también llamada barrera de potencial) de polarización directa coincide
en valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodo no polarizado. Al polarizar
directamente el diodo, la barrera de potencial inicial se va reduciendo, incrementando la
corriente ligeramente, alrededor del 1% de la nominal. Sin embargo, cuando la tensión
externa supera la tensión umbral, la barrera de potencial desaparece, de forma que para
pequeños incrementos de tensión se producen grandes variaciones de la intensidad de
corriente.
 Corriente máxima (Imax ).
Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por
el efecto Joule. Dado que es función de la cantidad de calor que puede disipar el diodo,
depende sobre todo del diseño del mismo.
 Corriente inversa de saturación (Is ).
Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la
formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica
por cada incremento de 10 °C en la temperatura.
 Corriente superficial de fugas.
Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo (ver polarización inversa),
esta corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensión,
aumenta la corriente superficial de fugas.

 Tensión de ruptura (Vr ).
Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto
avalancha. Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la
corriente inversa de saturación; en la realidad, a partir de un determinado valor de la
tensión, en el diodo normal o de unión abrupta la ruptura se debe al efecto avalancha;
no obstante hay otro tipo de diodos, como los Zener, en los que la ruptura puede
deberse a dos efectos:
a) Efecto avalancha (diodos poco dopados). En polarización inversa se generan
pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la
tensión inversa es elevada los electrones se aceleran incrementando su
energía cinética de forma que al chocar con electrones de valencia pueden
provocar su salto a la banda de conducción. Estos electrones liberados, a su
vez, se aceleran por efecto de la tensión, chocando con más electrones de
valencia y liberándolos a su vez. El resultado es una avalancha de electrones
que provoca una corriente grande. Este fenómeno se produce para valores de
la tensión superiores a 6 V.
b) Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material,
menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E
puede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d; cuando el
diodo esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el campo eléctrico será
grande, del orden de 3·105 V/cm. En estas condiciones, el propio campo
puede ser capaz de arrancar electrones de valencia incrementándose la
corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V o menores.
Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos especiales, como los Zener, se
puede producir por ambos efectos.
APLICACIÓN Y MODELO MATEMTICO:
El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor a William Bradford
Shockley) que permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayoría de las
aplicaciones. La ecuación que liga la intensidad de corriente y la diferencia de potencial es:
Dónde:
 I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo
 VD es la diferencia de tensión entre sus extremos.
 IS es la corriente de saturación (aproximadamente )
 n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo y que
suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio).
El Voltaje térmico VT es aproximadamente 25.85mV en 300K, una temperatura cercana a la
temperatura ambiente, muy usada en los programas de simulación de circuitos. Para cada
temperatura existe una constante conocida definida por:

Donde k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta de la unión PN, y q es la
magnitud de la carga de un electrón (la carga elemental).
La ecuación de diodo ideal de Schockley o la ley de diodo se deriva de asumir que solo los
procesos que le dan corriente al diodo son por el flujo (debido al campo eléctrico), difusión, y
la recombinación térmica. También asume que la corriente de recombinación en la región de
agotamiento es insignificante. Esto significa que la ecuación de Schockley no tiene en cuenta
los procesos relacionados con la región de ruptura e inducción por fotones. Adicionalmente,
no describe la estabilización de la curva I-V en polarización activa debido a la resistencia
interna.
Bajo voltajes negativos, la exponencial en la ecuación del diodo es insignificante. y la corriente
es una constante negativa del valor de Is. La región de ruptura no está modelada en la ecuación
de diodo de Schockley.
Para voltajes grandes, en la región de polarización directa, se puede eliminar el 1 de la
ecuación, quedando como resultado:
Con objeto de evitar el uso de exponenciales, en ocasiones se emplean modelos más simples
aún, que modelan las zonas de funcionamiento del diodo por tramos rectos; son los
llamados modelos de continua o de Ram-señal. El más simple de todos es el diodo ideal.
4. MONTAJE Y PROCEDIMIENTO.
a) Montar los instrumentos electrónicos al protoboard, tal
como el diagrama esquemático que se le da.
Nota: El Protoboard o también Bread Board, es una
placa de pruebas en la que no se utiliza soldadura para
conectar los componentes electrónicos. Las conexiones
se hacen por medio de láminas metálicas que ejercen
presión sobre los terminales de los componentes, que
abarcan zonas específicas en el mismo.
Del lado superior, se encuentran una serie de agujeros dispuestos horizontalmente (buses) y
verticalmente (nodos). Algunos Protoboards vienen montados sobre una base metálica con
borneras, para ser energizado desde una fuente de alimentación.

b) Una vez montado los componentes electrónicos verificar bien con el diagrama
esquemático.
c) Una vez verificado el montaje de los componentes electrónicos, ahora
cuidadosamente vamos a medir las conexiones entre ellas, de terminal a terminal para
que no haiga falla en las mediciones, para eso utilizaremos el voltímetro para así
comprobar que haya paso de electrones con normalidad en cada uno de los
componentes electrónicos.
d) Luego de haber comprobado que toda la conexión está perfectamente conectada, le
aplicaremos un voltaje al circuito elaborado de 5V.
e) Ya conociendo el funcionamiento del potenciómetro iremos aplicando un debido
voltaje al diodo como a la resistencia.
f) Empezando de menor a mayor el sentido de regulación del potenciómetro iremos
midiendo la resistencia con el diodo con el uso del voltímetro.
g) Luego de terminar las mediciones comparar el
5. RESULTADOS
Datos obtenidos de las mediciones a la resistencia y el diodo:
(v) (mA)
0.43 0.03
0.47 0.08
0.49 0.11
0.50 0.17
0.52 0.28
0.56 0.61
0.62 2.39
0.65 4.49
6. GRAFICAS
Grafica para los datos obtenidos de

7. CONCLUSIONES:
Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la
corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. Este término generalmente se usa para
referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad; consta de una pieza de cristal
semiconductor conectada a dos terminales eléctricos.
De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones: por
debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y
por encima de ella como un circuito cerrado con una resistencia eléctrica muy pequeña.
Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos
capaces de suprimir la parte negativa de cualquier señal, como paso inicial para convertir una
corriente alterna en corriente continua. Su principio de funcionamiento está basado en los
experimentos de Lee De Forest.
8. BIBLIOGRAFÍA
http://www.sharatronica.com/protoboard.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Diodo
http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/default.asp

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