UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI UNIDAD ACADÉMICA DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA Y APLICADAS
ELECTRÓNICA I
TALLER DE DIODOS SEMICONDUCTORES
INTEGRANTES •
Jhonny Casa
•
Cesar Chasipanta
•
Jose Latacunga
•
Ciro Iza
CICLO: TERCERO “A”
DOCENTE: MSC. ROMMEL SUÁREZ
Latacunga – Ecuador Ecuador
PROBLEMAS 1.3 ENLACE COVALENTE Y MATERIALES INTRÍNSECOS
1. Bosqueje la estructura atómica del cobre y explique por qué es un buen conductor y en qué forma su estructura es diferente de la del germanio, el silicio y el arseniuro de galio.
En su estructura el cobre tiene 20 electrones en órbita con un solo electrón en la capa más externa.
Es un buen conductor porque en la capa más externa con sus 29ª electrón es incompleta y su penúltima capa contienen 2 electrones y distante del núcleo hace que ese electrón se una débilmente a su átomo central. La aplicación de un campo eléctrico externo de la polaridad correcta puede dibujarse fácilmente.
Es diferente en estructura el germanio intrínseco y el silicio porque tienen capas externas completas debido a la puesta en común de electrones entre átomos. Los electrones que son parte de una estructura de cubierta completa requieren r equieren niveles de fuerzas de atracción aplicadas a ser removidas de su átomo central.
2. Con sus propias palabras, defina un material intrínseco, coeficiente de temperatura negativo y enlace covalente.
Un material intrínseco es uno que ha sido refinado a ser tan puro como sea físicamente posible. Tiene casi nada de impurezas.
El coeficiente de temperatura negativo tienen menor nivel de resistencia a medida que aumenta la temperatura.
El enlace covalente es la compartición de electrones entre átomos vecinos para formar capas exteriores completos y una estructura reticular mas estable.
3. Consulte su biblioteca de referencia y haga una lista de tres materiales que tengan un coeficiente de temperatura negativo y de tres que tengan un coeficiente de temperatura positivo. TEMPERATURA POSITIVA
10− ºC Cobre = 3.9× 10− ºC Oro = 3.4× 10− ºC ×10− ºC ºC
Plata = 3.8×
TEMPERATURA NEGATIVA
10− ºC Germanio = -48×10− ºC Silicio = -75×10− ºC Carbón = -0.5×
1.4 NIVELES DE ENERGÍA
4. ¿Cuánta energía en joules se requiere para mover una carga de 6 C a través de una diferencia de potencial de 3 V? W = Energia = ?
W=QxV
Q = Carga = 6c
W = (6c)(3v)
V= Voltaje = 3v
W = 18 Joules
5. Si se requieren 48 eV de energía para mover una carga a través de una diferencia de potencial de 12 V, determine la carga implicada. 48eV = 48(1.6× W = 76.8×
10− J)
10− J
.× J = 6.40×10− C. Es la carga asociada con 4 electrones.
Q = =
6. Consulte su biblioteca de referencia y determine el nivel de Eg para GaP y ZnS, dos materiales semiconductores de valor práctico. Además, determine el nombre escrito para cada material. Materiales
GaP de energía Eg Valor aceptado
Valor obtenido
Germanio
0.782 eV
0.78 ± 0.01 eV
Silicio
1.205 eV
1.23 ± 0.01 Ev
Silicio (Diodo)
1.18 ± 0.04 eV
1.5 MATERIALES EXTRÍNSECOS: MATERIALES TIPO N Y TIPO P
7. Describa la diferencia entre materiales semiconductores tipo n y tipo p.
Material tipo N.- Se crea a través de la introducción de elementos de impureza tiene un exceso de electrones de conducción establecidos por el dopaje, tiene más electrones de valencia de los necesarios para el enlace covalente. El portador mayoritario es el electrón y el minoritario es el agujero.
Material tipo P.- Está formado por un material de dopaje intrínseco de aceptor y tiene insuficiencia de electrones para completar la unión covalente creando de ese
modo un agujero en la estructura covalente. El portador mayoritario es el agujero y el portador minoritario es el electrón.
8. Describa la diferencia entre impurezas de donadores y aceptores.
Las impurezas de donadores son difundidos con 5 electrones de valencia.
Las impurezas de aceptores son difundidos con 3 electrones de valencia.
9. Describa la diferencia entre portadores mayoritarios y minoritarios.
Los portadores mayoritarios son los portadores de un material que superan con abundancia el número de portadores en cualquier otro material.
Los portadores minoritarios son aquellos de un material que son menos en número que cualquier otra portadora del material.
10. Bosqueje la estructura atómica del silicio e inserte una impureza de arsénico como se demostró para el silicio en la figura 1.7.
11. Repita el problema 10, pero ahora inserte una impureza de indio.
12. Consulte su biblioteca de referencia y busque otra explicación del flujo de huecos contra el de electrones. Con ambas descripciones, describa con sus propias palabras el proceso de conducción de huecos. Sol. Al estar una temperatura por encima del cero absoluto habrán electrones que están excitados causando la banda y entrando a la banda de conducción donde podrán producir corriente al cruzar el electrón deja un puesto vacante o hueco en la estructura cristalina del silicio tanto el electrón como el hueco pueden moverse a través del material. 1.6 DIODO SEMICONDUCTOR
13. Describa con sus propias palabras las condiciones establecidas por condiciones de polarización en directa y en inversa en un diodo de unión p-n y cómo se ve afectada la corriente resultante.
El terminal positivo conectado al material tipo n y el negativo conectado al tipo p, ya que el número de iones positivos en la región de empobrecimiento del material tipo n se incrementara para la gran cantidad de electrones libre atraídos por el voltaje aplicado.
La aplicación de un potencial de polarización en directa VD presionara a los electrones en el material tipo n y a los huecos en el material tipo p para que se recambien con los iones próximos al límite y reducirá el ancho de la regio de empobrecimiento.
14. Describa cómo recordará los estados de polarización en directa y en inversa del diodo de unión p-n. Es decir, ¿cómo recordará cual potencial (positivo o negativo) se aplica a cual terminal? Sol. En la región tipo p positivo y el región tipo n negativo, para conectar de forma inversa se invierte la polaridad se puede saber cuál es positivo y negativo basándonos en la banda de color que tienen los diodos.
15. Con la ecuación (1.1), determine la corriente en el diodo a 20°C para un diodo de silicio con Is = 50 nA y una polarización en directa aplicada de 0.6 V. Tk = 20 + 273 Tk = 293º
K=
. = . = 5800
= ( 1) . − ×10 ( 1)
= 50 = 50 ×10−. 1 = 7.197 mA
16. Repita el problema 15 con T = 100°C (punto de ebullición del agua). Suponga que Is se ha incrementado a 50 µA. Tk = 100 + 273
K=
. = . = 5800
Tk = 373º
. = =
. = 11.27 × 10 = ( 1) = 50 ×10−11.27 ×10 1 = 56.35 mA 17. a. Con la ecuación (1.1) determine la corriente a 20°C en un diodo de silicio con Is = 0.1 mA con un potencial de polarización en inversa de -10 V. b. ¿Es el resultado esperado? ¿Por qué? a) Tk = 20 + 273 = 293º
K=
. = . = 5800
= ( 1) 1) = 0.1 ×10− ( = 0.1 ×10−−. 1 = 0.1 ×10−1.07 ×10− 1̃= 0.1 ×10− = = 0.1 µA Sol. La corriente del diodo en condiciones de polarización inversa deber ser igual al valor de saturación.
18. a. Grafique la función y =
x
y=
0
1
1
2.7182
2
7.389
3
20.086
4
54.6
5
148.4
b. ¿Cuál es el valor de y = y=
con x de 0 a 10. ¿Por qué es difícil hacerlo?
con x = 0?
= 1
c. Basado en los resultados de la parte (b), ¿por qué es importante el factor de -1 en la ecuación (1.1)? V = 0v
= 1 1 = 0 mA
= 1 19. En la región de polarización en inversa la corriente de saturación de un diodo de silicio es de alrededor de 0.1 µA (T = 20°C). Determine su valor aproximado si la temperatura se incrementa 40°C.
T = 30ºC: = 2(0.1 µA) = 0.2 µA => La temperatura se duplica cada 10ºC T = 40ºC: = 2(0.2 µA) = 0.4 µA T = 50ºC: = 2(0.4 µA) = 0.8 µA T = 60ºC: = 2(0.8 µA) = 1.6 µA T = 20ºC: = 0.1 µA
1.6 µA: 0.1 µA => Aumento de la tempera de 40ºC
20. Compare las características de un diodo de silicio y uno de germanio y determine cuál preferiría utilizar en la mayoría de las aplicaciones prácticas. Dé algunos detalles. Consulte la lista del fabricante y compare las características de un
diodo de silicio y de uno de germanio de características nominales máximas similares. Preferimos utilizar el diodo de silicio porque gracias a su temperatura tiene más alta capacidad, puede ser usado hasta un máximo de 200ºC a diferencia del germanio que llega máximo a los 85ºC, con el diodo de silicio se pueden usar para señales grandes.
21. Determine la caída de voltaje en directa a través del diodo cuyas características aparecen en la figura 1.19 a temperaturas de -75°C, 25°C, 125°C y una corriente de 10 mA. Determine el nivel de corriente de saturación para cada temperatura. Compare los valores extremos de cada una y comente sobre la relación de las dos.
-75°C
25°C
125°C
1.1 V
0.85 V
0.6 V
0.01 pA
1 pA
1.05 µA
disminuye con el aumento de la temperatura 1.1 V ÷ 0.6 Ṽ= 1.83:1 se incrementa con el aumento de la temperatura 1.05 µA ÷ 0.01 pA = 105 × 10:1 1.7 LO IDEAL VS. LO PRÁCTICO
22. Describa con sus propias palabras el significado de la palabra ideal como se aplica a un dispositivo o a un sistema. Se dice que un diodo ideal es cuando tiene una buena aproximación a su respuesta general del diseño es decir las tolerancias de la fabricación cuando este es más preciso s sus características reales de funcionamiento.
23. Describa con sus propias palabras las características del diodo ideal y cómo determinan los estados de encendido y apagado del dispositivo. Es decir, describa por qué los equivalentes de cortocircuito y circuito abierto son correctos. En polarización en directa cualquier nivel de voltaje produce una resistencia de 0 Ω y se produce la conducción mientras que en inversa cualquier voltaje produce una resistencia muy alta interrumpiendo la conducción.
24. ¿Cuál es la diferencia importante entre las características de un interruptor simple y las de un diodo ideal? Que un interruptor es mecánico y por eso es capaz de conducir la corriente a cualquier dirección mientras que el diodo solo permite el flujo a través de este en una sola dirección. 1.8 NIVELES DE RESISTENCIA
25. Determine la resistencia estática o de cd del diodo comercialmente disponible de la figura 1.15 con una corriente en directa de 2 mA.
̃= 0.66 V = 2 mA
V = 325Ω = = . mA
26. Repita el problema 25 con una corriente en directa de 15 mA y compare los resultados.
= 15 mA = 0.82 V
V = 54.67 Ω = = . mA
27. Determine la resistencia estática o de cd del diodo comercialmente disponible de la figura 1.15 con un voltaje en inversa de -10 V. ¿Cómo se compara con el valor determinado con un voltaje en inversa de -30 V?
= -10 V = = 0.1 µA − V = 100 MΩ = = −. µA
= -30 V = = 0.1 µA − V = 300 MΩ = = −. µA
Sol. A medida que aumenta la tensión inversa, la resistencia inversa aumenta inversamente ya que la corriente de fuga del diodo permanece constante.
28. a. Determine la resistencia dinámica (ca) del diodo de la figura 1.27 con una corriente en directa de 10 mA por medio de la ecuación (1.4) b. Determine la resistencia dinámica (ca) del diodo de la figura 1.27 con una corriente en directa de 10 mA con la ecuación (1.5) c. Compare las soluciones de las partes (a) y (b). a)
− . = . = 3 Ω = ∆∆ = . −
b)
= = = 2.6 Ω
c) Sol. La parte (a) está muy cerca de la parte (b)
29. Calcule las resistencias de cd y ca del diodo de la figura 1.27 con una corriente en directa de 10 mA y compare sus magnitudes.
= 10 mA = = . = 76 Ω
= 0.76 V
− . = . = 3 Ω = ∆∆̃= . − >> 30. Con la ecuación (1.4) determine la resistencia de ca con una corriente de 1 mA y 15 mA del diodo de la figura 1.27. Compare las soluciones y desarrolle una conclusión general con respecto a la resistencia de ca y niveles crecientes de la corriente en el diodo.
= 1 mA − . = 55 Ω = ∆∆ = . −
= 15 mA = ∆∆ = .−−. = 2 Ω
31. Con la ecuación (1.5), determine la resistencia de ca con una corriente de 1 mA y 15 mA del diodo de la figura 1.15. Modifique la ecuación como sea necesario para niveles bajos de corriente del diodo. Compare con las soluciones obtenidas en el problema 30.
= 1 mA = 2= 2 =2(26Ω)=52 Ω
= 15 mA = = = 1.73 Ω
(52 Ω) vs (55 Ω) p.30
(1.73 Ω) vs (2 Ω) p.30
32. Determine la resistencia de ca promedio para el diodo de la figura 1.15 en la región entre 0.6 V y 0.9 V.
= ∆∆ = ..−−. . = 24.4 Ω 33. Determine la resistencia de ca para el diodo de la figura 1.15 con 0.75 V y compárela con la resistencia de ca promedio obtenida en el problema 32.
− . = . = 22.5 Ω = ∆∆̃= . − (24.4 Ω) vs (22.5 Ω) p.32
1.9 CIRCUITOS EQUIVALENTES DEL DIODO
34. Determine el circuito equivalente lineal por segmentos del diodo de la figura 1.15. Use un segmento de línea recta que intersecte el eje horizontal en 0.7 V y aproxime lo mejor que se pueda la curva correspondiente a la región mayor que 0.7 V.
. = 14.29 Ω = ∆∆ = .−−. = 35. Repita el problema 34 con el diodo de la figura 1.27.
. = 4 Ω = ∆∆̃= .−−. = 1.10 CAPACITANCIAS DE DIFUSIÓN Y TRANSICIÓN
*36. a. Recurriendo a la figura 1.33, determine la capacitancia de transición con potenciales de polarización en inversa de -25 V y 10 V. ¿Cuál es la relación del cambio de capacitancia al cambio de voltaje? b. Repita la parte (a) con potenciales de polarización en inversa de -10 V y -1 V. Determine la relación del cambio de capacitancia al cambio de voltaje. c. ¿Cómo se comparan las relaciones determinadas en las partes (a) y (b)? ¿Qué le dice esto con respecto a qué campo puede tener más áreas de aplicación práctica?
= -25 V: ̃= 0.75 pF = -10 V: ̃= 1.25 pF .| = . = 0.033 pF/V |∆∆| = |.−− b) = -10 V: ̃= 1.25 pF = -1 V: ̃= 3 pF |∆∆| = |.−− | = . = 0.194 pF/V a)
. pF/V
c) . pF/V = 1 => 5.88: 1 => 6:1
37. Recurriendo a la figura 1.33, determine la capacitancia de difusión con 0 V y 0.25 V.
= 0 V = 3.3 pF
= 0.25 V = 9 pF
38. Describa con sus propias palabras cómo difieren las capacitancias de difusión y transición. R. La difusión se da fuera de los límites de la zona de agotamiento en estado de polarización directa y la transición se produce por el campo de agotamiento del propio diodo.
39. Determine la reactancia ofrecida por un diodo descrito por las características de la figura 1.33, con un potencial en directa de 0.2 V y un potencial en inversa de 20 V si la frecuencia aplicada es de 5 MHz.
= 0.2 V = 7.3 pF = = . = 3.64 kΩ
= -20 V = 0.9 pF = = . = 29.47 kΩ
1.11 TIEMPO DE RECUPERACIÓN EN INVERSA
40. Trace la forma de onda de i de la red de la figura 1.66 si
= 2 y el tiempo de
recuperación en inversa es de 9 ns.
= Ω = 1 mA + = = 9 ns + 2 = 9 ns
= Ω = 0.5 mA
= 3 ns = 2 = 6 ns 1.12 HOJAS DE ESPECIFICACIONES DE LOS DIODOS
*41. Trace
contra
utilizando escalas lineales para el diodo de la figura 1.37.
Observe que la gráfica provista emplea una escala logarítmica para el eje vertical (las escalas logarítmicas se abordan en las secciones 9.2 y 9.3).
42. Comente sobre el cambio de nivel de capacitancia con el incremento del potencial de polarización en inversa para el diodo de la figura 1.37.
Sol. Cuando aumenta el potencial de polarización en inversa la capacitancia va a disminuir de manera rápida. Los potenciales de 10 V se normalizan más o menos a 1.5 pF.
43. ¿Cambia significativamente la magnitud de la corriente de saturación en inversa del diodo de la figura 1.37 con potenciales de polarización en inversa en el intervalo de -25 V a -100 V?
= -25 V, = -0.2 nA = -100 V, = -0.45 nA Sol. La magnitud de corriente no cambia significativamente tiene un cambio muy pequeño en cuanto se trate de corriente.
*44. Para el diodo de la figura 1.37 determine el nivel de
a temperatura
ambiente (25°C) y al punto de ebullición del agua (100°C). ¿Es significativo el cambio? ¿Se duplica el nivel por cada 10°C de incremento de la temperatura?
= 25ºC, = 0.5 nA = 100ºC, = 60 nA Sol. El cambio que se da es significativo porque sube de 0.5 nA a 60 nA, aquí existe una diferencia aproximadamente de 59.5 nA entre los dos.
45. Para el diodo de la figura 1.37 determine la resistencia de ca (dinámica) máxima con una corriente en directa de 0.1, 1.5 y 20 mA. Compare los niveles y comente si los resultados respaldan las conclusiones derivadas en las primeras secciones de este capítulo.
= 0.1 mA: ̃= 700 Ω = 1.5 mA: ̃= 70 Ω = 20 mA: ̃= 6 Ω Sol. El resultado apoya el hecho que la dinámica en un circuito ac disminuye rápidamente la resistencia y aumenta los niveles de corriente.
46. Con las características de la figura 1.37, determine los niveles de disipación de potencia nominal máximos para el diodo a temperatura ambiente (25°C) y a
100°C. Suponiendo que
permanece fijo en 0.7 V, ¿Cómo cambia el nivel
máximo de IF entre los dos niveles de temperatura?
= 500 Mw = Mw = 714.29 mA = = . T = 25ºC:
T = 100ºC:
= 260 mW
Mw = 371.43 mA = = . . mA = 1 => 1.92 = 1 => 2 = 1 . mA 47. Con las características de la figura 1.37, determine la temperatura a la cual la corriente en el diodo será 50% de su valor a temperatura ambiente (25°C).
= 500 mA
= 250 mA
T = 25ºC
T = 104ºC
1.15 DIODOS ZENER
48. Se especifican las siguientes características para un diodo Zener particular:
= 9 V, =16.8 V, =10 mA, =20 µA e =40 mA. Trace la curva característica como aparece en la figura 1.47.
*49. ¿A qué temperatura el diodo Zener de 10 V de la figura 1.47 tendrá un voltaje nominal de 10.75 V? (Sugerencia: Observe los datos de la tabla 1.7).
=0.072%= ∆ 100%
0.072= 10 0.75 25 100% 0.072= 0.75 25 7.5 =104.17 25 = 0.072 =104.17 + 25 =129.17 50. Determine el coeficiente de temperatura de un diodo Zener de 5 V (valor determinado a 25°C) si el voltaje nominal se reduce a 4.8 V a una temperatura de 100°C.
= ∆ 100% −. 100% = − =0.053%/℃ 51. Con las curvas de la figura 1.48a, ¿qué nivel de coeficiente de temperatura esperaría para un diodo de 20 V? Repita para un diodo de 5 V. Considere una escala lineal entre los niveles de voltaje nominal y un nivel de corriente de 0.1 mA.
100% = ∆ ∆ = 206.8 246.8 100% =77%
= 0.1 , ≌0.06%/℃ = ∆∆ 100% 53.6 100%=44% = 6.83.6 52. Determine la impedancia dinámica del diodo de 24 V con =10 mA de la figura 1.48b. Observe que es una escala logarítmica.
*53. Compare los niveles de impedancia dinámica para el diodo de la figura 1.48 con niveles de corriente de 0.2, 1 y 10 mA. ¿Cómo se relacionan los resultados con la forma de las características en esta región? Diodo Zener 24V:
≌ 400Ω 0.1mA ≌ 95Ω 10 mA ≌ 13Ω 0.2 mA
Sol. Cuanto más pronunciada sea la curva (mayor dI / dV) menor será la resistencia dinámica. 1.16 DIODOS EMISORES DE LUZ
54. Recurriendo a la figura 1.53e, ¿qué valor de dispositivo? ¿Cómo se compara con el valor de
Sol. El
≅
parecería apropiado para este
para silicio y germanio?
≌2.0 que es considerablemente mayor que el germanio ( ≅ 0,3 V) o el silicio
( 0,7 V). Para el germanio es una proporción de 6,7: 1, y para el silicio una proporción de 2,86: 1.
55. Con la información de la figura 1.53, determine el voltaje en directa a través del diodo si la intensidad luminosa relativa es de 1.5.
≌13 =2.3 *56. a. ¿Cuál es el incremento en porcentaje de la eficiencia relativa del dispositivo de la figura 1.53 si la corriente pico se incrementa de 5 mA a 10 mA? b. Repita la parte (a) con 30 mA a 35 mA (el mismo incremento de corriente). c. Compare el incremento en porcentaje de las partes (a) y (b). ¿En qué punto de la curva diría que hay poco que ganar con un incremento adicional del corriente pico?
≌
a) 5mA 0.82 =
.−. 100% .
= 24.4% b) 30mA≌1.38 = 1.421.38 1.38 100% = 2.9%
≌ = 1.02 0.82 =1.24
10mA 1.02
≌ = 1.42 1.38 =1.03
35mA 1.42
c) Sol. Para corrientes mayores a 30 mA, el incremento porcentual es significativamente menor que para corrientes de mayor magnitud.
57. a. Si la intensidad luminosa a un desplazamiento angular de 0° es de 3.0 mcd para el dispositivo de la figura 1.53, ¿a qué ángulo será de 0.75 mcd? b. ¿A qué ángulo la pérdida de intensidad luminosa se reduce a menos de 50%?
. =0.25 . ≌75 a)
∢
b) 0.5 → =40
*58. Trace la curva de reducción de la corriente en directa promedio del LED rojo de alta eficiencia de la figura 1.53 determinada por la temperatura. (Considere las cantidades nominales máximas absolutas).
0.2 = 20 ℃ 20 = 0.2 ℃ =100℃
