Club Saber Electrónica Nro. 88. Curso Superior de Electrónica
Electrónica
16
1 DIODO SEMICONDUCTOR ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA EN TELECOMUNICACIONES Y REDES INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA, TELECOMUNICACIONES Y REDES GUÍA DE LABORATORIO DE ELECTRÓNICA I PRÁCTICA No. 1 – INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL - SIMULACIÓN EN MATLAB DE LAS REGIONES DE POLARIZACIÓN DE UN DIODO. 1. DATOS GENERALES: NOMBRE: estudiante(s) CODIGO(S): de estudiante(s) Daniel Peña 427 Cristian Cardoso 703 Daniela Toainga 679 Adriana Paca 422 Magali López 592 GRUPO No.: 7 FECHA DE REALIZACIÓN: FECHA DE ENTREGA: 16/04/2015 23/04/2015
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1 DIODO SEMICONDUCTOR
ESCUELA SUPERIOR POLITCNICA DE CHIMBORAZO
FACULTAD DE INFORMTICA Y ELECTRNICA
ESCUELA DE INGENIERA ELECTRNICA EN TELECOMUNICACIONES Y REDES
INGENIERA EN ELECTRNICA, TELECOMUNICACIONES Y REDES
GUA DE LABORATORIO DE ELECTRNICA I
PRCTICA No. 1 INSTRUMENTACIN VIRTUAL - SIMULACIN EN MATLAB
DE LAS REGIONES DE POLARIZACIN DE UN DIODO.
1. DATOS GENERALES:
NOMBRE: estudiante(s) CODIGO(S): de estudiante(s)
Daniel Pea 427
Cristian Cardoso 703
Daniela Toainga 679
Adriana Paca 422
Magali Lpez 592
GRUPO No.: 7
FECHA DE REALIZACIN: FECHA DE ENTREGA:
16/04/2015 23/04/2015
-
2 DIODO SEMICONDUCTOR
2. OBJETIVO(S):
2.1. GENERAL
Graficar las regiones de polarizacin de los diodos semiconductores de Silicio,
Germanio y Arseniuro de Galio, con ayuda del software Matrix Laboratory
(Matlab).
2.2. ESPECFCOS
Graficar la regin de polarizacin inversa del diodo de Silicio , del diodo de
Germanio y del diodo de Arseniuro de Galio
Comparar el comportamiento de cada diodo en las diferentes polarizaciones
Comprobar los resultados obtenidos tanto tericos como prcticos.
3. METODOLOGA
Experimental.
4. EQUIPOS Y MATERIALES:
EQUIPOS:
- Computador
5.- MARCO TEORICO:
Matlab
Es el nombre abreviado de MATrix LAboratory. Es un programa para realizar
clculos numricos con vectores y matrices. Como caso particular puede tambin
trabajar con nmeros escalares, tanto reales como complejos. Matlab tiene un
lenguaje de programacin propio. Una de las capacidades ms atractivas es la de
-
3 DIODO SEMICONDUCTOR
realizar una amplia variedad de grficos en dos o tres dimensiones como lo hemos
realizado en este practica graficando las polarizaciones de diodos.
Diodo semiconductor
Se crea uniendo un material tipo n a un material tipo p; slo la unin de un material
con un portador mayoritario de electrones a uno con un portador mayoritario de
huecos.
El smbolo del diodo, con la polaridad definida y la direccin de la corriente se puede
observar en la Fig1.
Fig.1.( R. BOYLESTAD. Smbolo del Diodo. Electrnica: teora de circuitos y dispositivos electrnicos. Editorial PEARSON. Dcima edicin.)
Se puede demostrar por medio de la fsica de estado slido que las caractersticas
generales de un diodo semiconductor se pueden definir mediante la siguiente
ecuacin, conocida como ecuacin de Shockley Ec.1, para las regiones de
polarizacin en directa y en inversa:
= (
1)
Ec. 1.( R. BOYLESTAD. Ecuacin de Shockley. Electrnica: teora de circuitos y dispositivos electrnicos. Editorial PEARSON. Dcima edicin.)
Donde:
Is: es la corriente de saturacin en inversa
VD: es el voltaje de polarizacin en directa aplicado a travs del diodo
-
4 DIODO SEMICONDUCTOR
N: es un factor de idealidad, el cual es una funcin de las condiciones de
operacin y construccin fsica; vara entre 1 y 2 segn una amplia diversidad
de factores.
El voltaje VT en la ecuacin se llama voltaje trmico Ec.2. y est determinado por:
=
Ec. 2.( R. BOYLESTAD. Voltaje trmico . Electrnica: teora de circuitos y dispositivos electrnicos. Editorial
PEARSON. Dcima edicin.)
Donde:
K: es la constante de Boltzmann = 1.38 1023J/K
T: es la temperatura absoluta en Kelvin = 273 + la temperatura en C.
q: es la magnitud de la carga del electrn =1.6 1019C.
Tipos de polarizacin de un diodo
Sin polarizacin aplicada (V _ 0 V).- En el momento en que los dos materiales se
unen, los electrones y los huecos en la regin de la unin se combinan y provocan
una carencia de portadores libres en la regin prxima a la unin, como se muestra
en la figura 1.12a.
Fig.2.( R. BOYLESTAD. distribucin de carga interna;. Electrnica: teora de circuitos y dispositivos electrnicos. Editorial PEARSON. Dcima edicin.)
Demostracin de que el flujo de portadores neto es cero en la terminal externa
del dispositivo cuando VD _ 0 V. Fig. 3.
-
5 DIODO SEMICONDUCTOR
Fig.3 ( R. BOYLESTAD. Distribucin de carga interna . Electrnica: teora de circuitos y dispositivos electrnicos. Editorial PEARSON. Dcima edicin.)
Esta regin de iones positivos y negativos revelados se llama regin de
empobrecimiento, debido a la disminucin de portadores libres en la regin.
El trmino polarizacin se refiere a la aplicacin de un voltaje externo a travs de las
dos terminales del dispositivo para extraer una respuesta. La ausencia de voltaje a
travs de un resistor produce una corriente cero a travs de l. Incluso en este punto
inicial del anlisis es importante sealar la polaridad del voltaje a travs del diodo en
la figura 2 y la direccin dada a la corriente. Esas polaridades sern reconocidas como
las polaridades definidas del diodo semiconductor. Si se aplica un voltaje a travs del
diodo cuya polaridad a travs de l sea la mostrada en la figura 2, se considerar que
el voltaje es positivo. A la inversa, el voltaje es negativo. Los mismos estndares se
pueden aplicar a la direccin definida de la corriente en la figura 2.
Sin ninguna polarizacin aplicada a travs de un diodo semiconductor, el flujo neto de
carga en una direccin es cero.
Condicin de polarizacin en inversa (VD
-
6 DIODO SEMICONDUCTOR
no revelados se incrementar en el material tipo p. El efecto neto, por consiguiente,
es una mayor apertura de la regin de empobrecimiento, la cual crea una barrera
demasiado grande para que los portadores mayoritarios la puedan superar, por lo que
el flujo de portadores mayoritarios se reduce efectivamente a cero, como se muestra
en la figura 5.
Sin embargo, el nmero de portadores minoritarios que entran a la regin de
empobrecimiento no cambia, y se producen vectores de flujo de portadores
minoritarios de la misma magnitud indicada en la figura 4 sin voltaje aplicado.
La corriente en condiciones de polarizacin en inversa se llama corriente de
saturacin en inversa y est representada por Is.
Distribucin interna de la carga en condiciones de polarizacin en inversa figura 4.
Fig.4 ( R. BOYLESTAD. Unin p-n polarizada en inversa . Electrnica: teora de circuitos y dispositivos
electrnicos. Editorial PEARSON. Dcima edicin.)
Polaridad de polarizacin en inversa y direccin de la corriente de saturacin en
inversa. Figura 5.
Fig.5 ( R. BOYLESTAD. Polaridad de polarizacin en inversa y direccin de la corriente de saturacin en inversa... Electrnica: teora de circuitos y dispositivos electrnicos. Editorial PEARSON. Dcima edicin.)
-
7 DIODO SEMICONDUCTOR
La corriente de saturacin en inversa rara vez es de ms de algunos micro
amperes, excepto en el caso de dispositivos de alta potencia. El trmino saturacin
se deriva del hecho de que alcanza su nivel mximo con rapidez y que no cambia de
manera significativa con los incrementos en el potencial de polarizacin en inversa.
Las condiciones de polarizacin en inversa se ilustran en la figura 5 para el smbolo
de diodo y unin p-n. Observe, en particular, que la direccin de Is se opone a la
flecha del smbolo. Observe tambin que el lado negativo del voltaje aplicado est
conectado al material tipo p y el lado positivo al material tipo n, y la diferencia indicada
con las letras subrayadas por cada regin revela una condicin de polarizacin en
inversa.
Condicin de polarizacin en directa (VD>0V)
Fig.6 ( R. BOYLESTAD. Unin p-n polarizada en directa: (a) distribucin interna de la carga en condiciones de polarizacin en directa; (b) polarizacin directa y direccin de la corriente resultante.. Electrnica: teora de
circuitos y dispositivos electrnicos. Editorial PEARSON. Dcima edicin.)
La aplicacin de un potencial de polarizacin en directa VD presionar a los
electrones en el material tipo n y a los huecos en el material tipo p para que se
recombinen con los iones prximos al lmite y reducir el ancho de la regin de
empobrecimiento. El flujo de portadores minoritarios de electrones resultante del
material tipo p al material tipo n (y de huecos del material tipo n al tipo p) no cambia
de magnitud (puesto que el nivel de conduccin es controlado principalmente por el
nmero limitado de impurezas en el material), aunque la reduccin del ancho de la
-
8 DIODO SEMICONDUCTOR
regin de empobrecimiento produjo un intenso flujo de portadores (b) mayoritarios a
travs de la unin. Un electrn del material tipo p ahora ve una barrera reducida en
la unin debido a la regin de empobrecimiento reducida y a una fuerte atraccin del
potencial positivo aplicado al material tipo p.
6. PROCEDIMIENTO
Polarizacion directa e Indirecta del Silicio.
Fig. 7. Simulacin en Matlab del problema propuesto. Fuente (propia).
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.71
1.5
2
2.5REGION DE POLARIZACION DIRECTA DEL SILICIO
VOLTAJE DEL DIODO
CO
RR
IEN
TE
DE
L D
IOD
O
-120 -100 -80 -60 -40 -20 00
0.5
1REGION DE POLARIZACION INVERSA Y SIN POLARIZACION DEL SILICIO
VOLTAJE DEL DIODO
CO
RR
IEN
TE
DE
L D
IOD
O
-
9 DIODO SEMICONDUCTOR
Polarizacion directa e Indirecta del Arseniuro de Galio.
Fig. 7. Simulacin en Matlab del problema propuesto. Fuente (propia).
Polarizacion inversa y sin polarizacion del Germanio
Fig. 9. Simulacin en Matlab del problema propuesto. Fuente (propia)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.41
2
3
4REGION DE POLARIZACION DIRECTA DEL ARSENIURO DE GALIO
VOLTAJE DEL DIODO
CO
RR
IEN
TE
DE
L D
IOD
O
-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 00
0.5
1REGION DE POLARIZACION INVERSA Y SIN POLARIZACION DEL ARSENIURO DE GALIO
VOLTAJE DEL DIODO
CO
RR
IEN
TE
DE
L D
IOD
O
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.351
1.1
1.2
1.3
1.4REGION DE POLARIZACION DIRECTA DEL GERMANIO
VOLTAJE DEL DIODO
CO
RR
IEN
TE
DE
L D
IOD
O
-150 -100 -50 00
0.5
1REGION DE POLARIZACION INVERSA Y SIN POLARIZACION DEL GERMANIO
VOLTAJE DEL DIODO
CO
RR
IEN
TE
DE
L D
IOD
O
-
10 DIODO SEMICONDUCTOR
IMPLEMENTACIN Y RECOLECCIN DE DATOS:
= 0.3
= 0.7
= 1.2
Corriente de saturacin en inversa es aproximadamente
= 1
= 10
= 1
Voltajes de ruptura
Si con voltajes de ruptura tan altos como 20 kV.
El germanio suele tener voltajes de ruptura de menos de 100 V con mximos
alrededor de 400 V.
El GaAs en general tiene niveles de ruptura mximos que superan a los de los
dispositivos de Si del mismo nivel de potencia en aproximadamente 10%, y ambos
tienen voltajes de ruptura que por lo general oscilan entre 50 V y 1 Kv.
INTERPRETACIN DE RESULTADOS:
Silicio (Si)
No es sensible a la temperatura.
Es difcil de refinar.
Su costo es bajo.
Tiene excelentes niveles de temperatura.
El valor de la corriente de saturacin en polarizacin inversa es baja.
-
11 DIODO SEMICONDUCTOR
Germanio (Ge)
Es fcil de refinar.
Es sensible a la temperatura.
La corriente de saturacin es alta.
Arseniuro de Galio (GaAs)
Es costoso.
Tiene capacidad de alta velocidad.
Los valores de la corriente de saturacin en polarizacin inversa es
baja.
7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:
Conclusiones:
Graficamos las regiones de polarizacin de los diodos semiconductores de
Silicio, Germanio y Arseniuro de Galio, con ayuda del software Matrix
Laboratory (Matlab).
Graficamos la regin de polarizacin inversa del diodo de Silicio , del diodo de
Germanio y del diodo de Arseniuro de Galio
Comparamos el comportamiento de cada diodo en las diferentes polarizaciones
Comprobamos los resultados obtenidos tanto tericos como prcticos.
Recomendaciones:
Utilizar de forma adecuada cada una de la funciones de Matlab para la
realizacin graficas de polarizacin de los diodos semiconductores
-
12 DIODO SEMICONDUCTOR
Se recomienda utilizar el software de Matlab (matlab2013a o superior) ya que
las versiones anteriores no contienen todas las herramientas necesarias para
el diseo y ejecucin de la prctica.
Investigar y comprobar acerca de los voltajes y corrientes de ruptura de cada
uno de los diodos semiconductores dentro de las grficas de la prctica
realizada.
8.- BIBLIOGRAFA
R. BOYLESTAD. Electrnica teora de circuitos y dispositivos electrnicos.
Electrnica: teora de circuitos y dispositivos electrnicos. Editorial
PEARSON. Dcima edicin
H MORALES. Matlab para ciencias e ingeniera con mtodos numricos y
visualizacin grfica. Grupo Editorial Megabyte
-
13 DIODO SEMICONDUCTOR
9- ANEXOS
%ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO
%FACULTAD DE INFORMATICA Y ELECTRONICA
%ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRONICA EN TELECOMUNICACIONES Y REDES
%INTEGRANTES:
%DANIEL PEA 427
%DANIELA TOAINGA 679
%CRISTHIAN CARDOSO 703
%ADRIANA PACA 422
%MAGALY LOPEZ 592
%REGION DE POLARIZACION DIRECTA DEL Si, GE, GaAs
%REGION DE POLARIZACION DIRECTA DEL SILICIO
vd=0:0.01:0.7;
subplot(6,1,1);
plot(vd,exp(vd),'r');
title('REGION DE POLARIZACION DIRECTA DEL SILICIO')
xlabel('VOLTAJE DEL DIODO')
ylabel('CORRIENTE DEL DIODO')
grid on
%POLARIZACION INVERSA Y SIN POLARIZACION DEL SILICIO
vd1=0:-10:-110;
subplot(6,1,2);
plot(vd1,exp(vd1),'g');
title('REGION DE POLARIZACION INVERSA Y SIN POLARIZACION DEL SILICIO')
xlabel('VOLTAJE DEL DIODO')
ylabel('CORRIENTE DEL DIODO')
grid on
%REGION DE POLARIZACION DIRECTA DEL GERMANIO
vd2=0:0.02:0.3;
subplot(6,1,3);
plot(vd2,exp(vd2),'r');
title('REGION DE POLARIZACION DIRECTA DEL GERMANIO')
xlabel('VOLTAJE DEL DIODO')
ylabel('CORRIENTE DEL DIODO')
grid on
%GERMANIO
vd3=0:-10:-150;
subplot(6,1,4);
plot(vd3,exp(vd3),'g');
title('REGION DE POLARIZACION INVERSA Y SIN POLARIZACION DEL GERMANIO')
xlabel('VOLTAJE DEL DIODO')
ylabel('CORRIENTE DEL DIODO')
grid on
%REGION DE POLARIZACION DIRECTA DEL ARSENIURO DE GALIO
vd4=0:0.02:1.2;
subplot(6,1,5);
plot(vd4,exp(vd4),'r');
title('REGION DE POLARIZACION DIRECTA DEL ARSENIURO DE GALIO')
-
14 DIODO SEMICONDUCTOR
xlabel('VOLTAJE DEL DIODO')
ylabel('CORRIENTE DEL DIODO')
grid on
%REGION DE POARIZACION INVERSA DEL ARSENIURO DE GALIO
vd5=0:-5:-50;
subplot(6,1,6);
plot(vd5,exp(vd5),'g');
title('REGION DE POLARIZACION INVERSA Y SIN POLARIZACION DEL ARSENIURO DE GALIO')
xlabel('VOLTAJE DEL DIODO')
ylabel('CORRIENTE DEL DIODO')
grid on
Published with MATLAB R2013a
Anexo1. Published with MATLAB R2013a. Fuente (propia)
-
15 DIODO SEMICONDUCTOR
Anexo 2. Published with MATLAB R2013a. Fuente (propia)
Anexo4. Published with MATLAB R2013a. Fuente (propia)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.71
1.5
2
2.5REGION DE POLARIZACION DIRECTA DEL SILICIO
VOLTAJE DEL DIODO
CO
RR
IEN
TE
DE
L D
IOD
O
-120 -100 -80 -60 -40 -20 00
0.5
1REGION DE POLARIZACION INVERSA Y SIN POLARIZACION DEL SILICIO
VOLTAJE DEL DIODO
CO
RR
IEN
TE
DE
L D
IOD
O
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.351
1.1
1.2
1.3
1.4REGION DE POLARIZACION DIRECTA DEL GERMANIO
VOLTAJE DEL DIODO
CO
RR
IEN
TE
DE
L D
IOD
O
-150 -100 -50 00
0.5
1REGION DE POLARIZACION INVERSA Y SIN POLARIZACION DEL GERMANIO
VOLTAJE DEL DIODO
CO
RR
IEN
TE
DE
L D
IOD
O
-
16 DIODO SEMICONDUCTOR
Anexo5. Published with MATLAB R2013a. Fuente (propia)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.41
2
3
4REGION DE POLARIZACION DIRECTA DEL ARSENIURO DE GALIO
VOLTAJE DEL DIODO
CO
RR
IEN
TE
DE
L D
IOD
O
-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 00
0.5
1REGION DE POLARIZACION INVERSA Y SIN POLARIZACION DEL ARSENIURO DE GALIO
VOLTAJE DEL DIODO
CO
RR
IEN
TE
DE
L D
IOD
O
