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PRÁCTICA N° 3
CIRCUITOS NO LINEALES
3.1. Semiconductores
Un semiconductor es una sustancia cuya conductividad es menor que la de un conductor y
mayor que la de un aislante. La conductividad o conducción de cualquier sustancia depende, en
parte, del número de electrones libres que posee. En un conductor, el número de electrones libres
está en el orden de ~1023 electrones/cm3, mientras que para los semiconductores es del orden de
~1013 electrones/cm3 y para un aislante es muchísimo menor. Este número de electrones libres en
un semiconductor depende de una serie de factores como: calor, luz, campos eléctricos y
magnéticos, así como de la cantidad de impurezas presentes en la sustancia.
A continuación se estudiarán algunas características de las substancias empleadas en la
construcción de semiconductores, como son el germanio y el silicio.
Un cristal de germanio o de silicio puro carece de electrones libres y no es conductor. Sólo
a altas temperaturas se produce cierto grado de conducción debido al rompimiento de los enlaces.
Sin embargo, estas sustancias pueden hacerse conductoras añadiendo al cristal cierta cantidad de
impurezas.
Las impurezas son átomos de una sustancia que, añadidos al germanio o silicio, entran a
formar parte de su estructura cristalina, aumentando la conductividad. Pueden ser donadoras,
cuando sus átomos tienen cinco electrones en la capa exterior, como el arsénico, el fósforo, el
antimonio, etc.; y aceptadoras, cuando sus átomos tienen tres electrones en la última capa, como
el aluminio, el indio, el galio, etc.
Cuando un átomo de una impureza donadora sustituye a un átomo del semiconductor,
comparte cuatro de sus electrones de valencia con sus respectivos cuatro átomos vecinos (ver
Figura 31). El quinto electrón de valencia de la impureza no será compartido y estará en libertad
de moverse, contribuyendo de esta manera a la conductividad del material. Así, habrá en el
material un exceso de portadores negativos (electrones). Los semiconductores así constituidos
son llamados tipo N.
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Figura 31
Las impurezas aceptadoras están constituidas por átomos de valencia tres, como, por
ejemplo, galio o indio. Al ser sustituido un átomo de un semiconductor intrínseco por un átomo
de una impureza aceptadora, sólo tres átomos de la impureza pueden ser compartidos, quedando
un enlace incompleto o hueco (ver Figura 32), el cual puede ser ocupado por un electrón de un
enlace vecino, produciéndose el movimiento de un hueco en sentido contrario al del movimiento
del electrón. Por esto, los responsables de la conducción serán los huecos. A los semiconductores
con este tipo de impurezas se les llama tipo P, ya que hay un exceso de portadores de cargas
positivas o huecos.
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Figura 32
Es importante tener presente que la conducción en los semiconductores tipo N es debida a
los electrones no compartidos, creándose así una corriente electrónica o de portadores negativos,
mientras que en los semiconductores tipo P la conducción se debe a los huecos (ausencia de carga
negativa) o portadores de corriente positiva. En este último caso, los huecos no se mueven
realmente, pero el desplazamiento de electrones entre huecos hace que éstos aparezcan en sitios
diferentes del cristal y provocando un movimiento equivalente (ya mencionado) en sentido
contrario al del electrón. Cuando se aplica un campo eléctrico al cristal dopado, se observa que
los huecos se desplazan hacia el potencial negativo. La Figura 33 muestra cómo se
desplaza el hueco a través del cristal (la figura se encuentra representada en dos dimensiones para
simplificar la comprensión, aunque el movimiento se da en tres dimensiones).
Todo átomo que pierde o gana un electrón recibe el nombre de ión. Los átomos donadores
producen iones positivos; los aceptadores, iones negativos.
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Figura 33
3.1.1. El Diodo Semiconductor
Un diodo semiconductor es un elemento formado por la unión de dos porciones de
semiconductores con diferente dopado, uno tipo N y otro tipo P. La superficie de contacto de
estos dos cristales (P y N) se denomina unión PN o NP.
En la Figura 34 se representan: los átomos aceptadores, con el signo menos (–) dentro de un
círculo (iones negativos); los donadores, con el signo más (+) dentro de un círculo (iones
positivos); los huecos por un punto y los electrones por signos menos (–).
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Figura 34
A simple vista se puede considerar que los huecos y los electrones se neutralizarán en todo
el cristal. Sin embargo, esto sucede sólo en una región próxima a la unión, ya que los electrones
de la sección N inmediatos a la unión se difunden por la sección P, es decir, los electrones del
material tipo N se recombinan con los huecos del material tipo P; esto en una zona cerca de la
unión. Esto hace que en las inmediaciones de la junta queden sin equilibrio iones negativos del
cristal P e iones positivos del cristal N, quedando así un déficit de electrones en la porción tipo N
de la junta (polaridad positiva) y un déficit de huecos en la porción tipo P (polarización negativa).
r
De esta manera se produce un campo eléctrico E *, que va del material tipo N hacia el tipo P (ver
r
Figura 34). A este campo eléctrico E está asociada una diferencia de potencial V (potencial de
barrera o conducción) ** y se le denomina carga espacial, barrera de unión o región de
agotamiento. Cuando la magnitud de este campo alcanza un valor determinado cesa la difusión,
porque los electrones carecen de energía para vencer el campo y se produce el equilibrio en el
resto del cristal.
Se puede hacer que exista conducción a través de la carga espacial aplicando a los extremos
del diodo semiconductor una diferencia de potencial o tensión, la cual recibe el nombre de
polarización y permite que los electrones adquieran suficiente energía para vencer dicha carga
espacial.
*
Campo electrostático, ya que en las inmediaciones de la unión quedan sin equilibrar iones negativos del cristal P e
iones positivos del cristal N.
**
Éste es el mínimo potencial al cual hay que someter al diodo semiconductor para que comience a conducir
corriente en el orden de los miliamperes.
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En la Figura 35 se presenta el símbolo del diodo semiconductor.
La flecha indica la dirección en que la
corriente fluye fácilmente (de P a N)
Figura 35
3.1.2. Polarización Directa
La polarización directa, o paso fácil, se produce cuando el terminal positivo de la fuente de
tensión está unido al cristal tipo P y el terminal negativo al tipo N.
Figura 36
Los huecos del cristal tipo P y los electrones del N son repelidos por los respectivos
terminales de la fuente hacia la unión y neutralizan a los iones negativos y positivos situados en
los límites de la carga espacial. De esto, la fuente en polarización directa reduce la carga espacial.
La conducción se produce debido a la energía suministrada por la fuente y a que la carga
espacial es ahora más débil. Los electrones del material N pasan al P y se combinan con los
huecos. Por cada hueco que entra en combinación se rompe un enlace en el material tipo P para
neutralizar la carga negativa y uno de sus electrones es atraído por el terminal positivo de la
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fuente, abandonando el semiconductor. Simultáneamente, para neutralizar la carga positiva que
quedó en el cristal N por la pérdida del electrón combinado con el hueco del material tipo P, entra
en el diodo semiconductor otro electrón, proveniente del terminal negativo de la fuente. La
combinación continúa mientras se tenga aplicada la diferencia de potencial, con lo cual se
mantiene el flujo de electrones (corriente) desde el cristal P al N a través del circuito exterior.
Si se aumenta la polarización directa, aumenta la corriente. Sin embargo, existe una
pequeña limitación en el paso fácil debida al potencial de barrera de la junta, el cual, para diodos
de silicio, se encuentra entre 0,6 V y 0,7 V, y para los de germanio, entre 0,3 V y 0,4 V. Para
voltajes externos superiores al potencial de barrera, el diodo comienza a producir corrientes
grandes, en el orden de los miliamperes. Si es excesiva la polarización directa, se rompe la
estructura cristalina. La tensión empleada normalmente en este tipo de polarización es de 1 V a
1,5 V.
3.1.3. Polarización Inversa
Se establece que un diodo semiconductor está polarizado inversamente, o en paso difícil,
cuando el terminal positivo de la fuente de tensión está conectado al cristal tipo N y el terminal
negativo al cristal tipo P (Figura 37).
En este caso, los huecos del cristal P son atraídos por el terminal negativo de la fuente y los
electrones del cristal N por el terminal positivo, separándose ambas cargas de la unión, con lo
cual se ensancha la carga espacial y no hay corriente. Una polarización inversa excesiva rompe la
estructura del cristal. Al desaparecer la tensión de polarización el diodo semiconductor vuelve a
su estado normal, a menos que el sobrecalentamiento lo haya dañado. En las aplicaciones
normales deben evitarse las tensiones excesivas.
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Figura 37
Un aspecto interesante que ocurre en este tipo de polarización y para ciertos diodos, es
cuando el voltaje inverso aplicado excede un cierto valor característico del tipo de diodo
semiconductor, la corriente inversa aumenta violentamente debido a la producción de pares libres
electrón–hueco que tienen movilidad y que son generados por dos mecanismos: la ruptura de
enlaces covalentes debida al campo eléctrico aplicado y/o el efecto de avalancha originado por
portadores que ganan suficiente energía cinética como para poder ionizar átomos con los cuales
chocan. Los dos mecanismos pueden estar presentes en el mismo semiconductor. El rango de
voltaje donde ocurre la ruptura depende del mecanismo que predomine de acuerdo al tipo de
diodo. Los diodos semiconductores diseñados para trabajar bajo esta condición de polarización
inversa se denominan diodos Zener y su símbolo es el mostrado en la Figura 38.
.
Figura 38
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3.1.4. Curva Característica del Diodo Semiconductor
Figura 39
En la Figura 39 se representa la curva de corriente en función de la tensión de polarización.
En la región de polarización directa, se puede observar que la corriente crece muy rápido
alrededor del potencial de conducción o potencial de barrera. En la zona de polarización inversa,
la corriente es baja pero no cero. Esto debido (como se mencionó anteriormente) a que en el
cristal N existen algunas impurezas de átomos aceptadores y, por tanto, huecos, mientras que en
el cristal tipo P existen algunas impurezas de átomos donadores y, por tanto, electrones libres. A
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estas impurezas se les llama portadores minoritarios, porque son muy pocos comparados con los
portadores mayoritarios que, como sabemos, son los huecos en el cristal P y los electrones en
el N.
Como puede observarse, cuando la polarización inversa es muy grande, aparece una
corriente inversa muy alta sin aumento, prácticamente de la tensión. A esta tensión se le
denomina tensión Zener.
De lo expuesto anteriormente se puede establecer que un diodo ofrece una baja resistencia
cuando está polarizado directamente y ofrece una alta resistencia cuando está polarizado
inversamente.
3.1.5. Tipos de Diodos
Según su construcción, se podría decir que existen dos tipos de diodos: de contacto por
punta y de unión.
Los de contacto por punta están formados por un cristal semiconductor montado sobre una
base de metal y por un alambre terminado en punta, la cual hace contacto a presión con el
semiconductor. Un terminal de conexión exterior va soldado al extremo libre del alambre y el
otro a la base del metal. El alambre suele ser de aleación de platino, tungsteno, bronce fosforoso,
etc. El cristal semiconductor, de silicio tipo P o germanio tipo N. En realidad, no existe unión P–
N en este tipo de diodo.
Los diodos de unión están formados por la unión de dos cristales de diferentes clases: uno
tipo N y otro P. Los terminales de conexión exteriores van unidos a las superficies extremas de
los cristales. Este tipo de diodo trabaja con potencias más elevadas que los de contacto por punta.
Algunos diodos dentro de los dos tipos planteados son:
Diodo Schottky. Se forma de la unión metalúrgica de un semiconductor ligeramente
dopado con un metal como aluminio o platino. Igual que un diodo de unión
P–N, esta estructura permite el flujo de corriente únicamente en una dirección y tiene una
característica corriente–voltaje similar a la estudiada (fig. 8). A diferencia del diodo de silicio,
que tiene un voltaje de disparo, de activación, conducción o barrera en el rango de 0,5 V a 0,8 V,
el diodo Schottky tiene un voltaje de activación cercano a 0,3 V.
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Diodo Varactor. Es un diodo que en polarización inversa exhibe cierta característica de
capacitancia. Este tipo de diodo, en esencia, funciona como un capacitor o condensador
controlado por voltaje, en el que la capacitancia se reduce en función del incremento de voltaje de
polarización inversa. Estos diodos son utilizados en muchas aplicaciones de circuitos de alta
frecuencia y típicamente en circuitos de modulación de frecuencia y osciladores controlados por
voltaje.
Diodo Zener. Como se mencionó en el punto que trata la polarización inversa, estos diodos
tienen la propiedad de conducir una elevada corriente cuando están polarizados inversamente. Se
utilizan como reguladores de voltaje, entre otras aplicaciones.
Diodo Túnel. Si se fabrica un diodo Zener partiendo de semiconductores muy dopados, su
región de agotamiento se hace muy angosta y la estructura se convierte en un diodo túnel.
Cuando el voltaje de polarización directa se encuentra entre 0,1 V y 0,5 V, la corriente empieza a
reducirse con el aumento del voltaje, llevando a una característica de corriente–voltaje en forma
de “S”, como se muestra en la Figura 40. Debido a su pendiente negativa, la región central de esta
curva se llama la región de resistencia negativa. El voltaje mínimo a la derecha de la región de
resistencia negativa se denomina voltaje o tensión de valle; la corriente en este punto se llama la
corriente de valle. La corriente máxima que fluye a bajos voltajes se llama corriente pico.
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Figura 40
3.1.6. Diodo LED ( Light Emitting Diode )
Los diodos emisores de luz, se fabrican con materiales semiconductores de formulación
especial (arsenimo de galio de fosfato de galio) que emiten luz cuando conducen. Son utilizados
como dispositivos de despliegue (pantallas). Los LED, se pueden obtener en el mercado en
diferentes colores: rojo, verde, naranja, amarillo y doble color; rojo-verde. La intensidad de la luz
tiene dependencia lineal con la corriente de excitación. Estos dispositivos emisores de luz, vienen
constituidos para diferentes corrientes de excitación, corrientes muy altas disminuirán la vida útil
del LED, por ello, es importante colocar en serie con el diodo, una resistencia de protección, para
que limite la corriente que circula por el LED. Las corrientes típicas de circulación para estos
dispositivos están dentro del rango de 10mA a 50mA.
3.1.7. Filamento de Tungsteno
En la naturaleza existen ciertos materiales en los cuales, al someterlos a una diferencia de
potencial entre dos puntos de una muestra, circula una corriente eléctrica proporcional a la
tensión aplicada. La curva característica I(V) resulta una línea recta que pasa por el origen, siendo
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el inverso de la pendiente la resistencia del material. La pendiente (constante de
proporcionalidad) es independiente de la diferencia de potencial.
Figura 41
En un conductor como el tungsteno, si las corrientes son suficientemente bajas, se observa
un comportamiento lineal; pero al aumentar la corriente ocurre que la recta de la gráfica I(V)
pierde linealidad, es decir, toma una curvatura.
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Figura 42
Esta variación en la gráfica se debe a que, cuando aumenta la corriente eléctrica y, por lo
tanto, la potencia disipada, se produce un aumento de temperatura en el conductor, produciéndose
así una variación de la resistividad del material (ρ) y, por ende, de la resistencia.
En el caso de conductores metálicos, como el tungsteno, la resistividad aumenta con la
temperatura y la resistencia también, ya que, el incremento en la resistividad predomina sobre el
cambio de longitud y superficie en el conductor (debido al pequeño efecto de dilatación térmica).
Esto explica por qué la pendiente de la gráfica I(V) disminuye al aumentar la corriente.
Un elemento mal conductor, como el carbón, muestra una característica con una curvatura
inversa, como consecuencia de una disminución de la resistividad con el incremento de la
temperatura.
Se puede definir una resistencia (aunque existe una no–linealidad) mediante la relación
R = V/I, pero la resistencia no será constante, sino que dependerá de la corriente R(I). A esta
resistencia se le denomina estática y se diferencia de la dinámica, definida como R = dV/dI, la
cual también depende de la corriente, pero describe con más precisión las variaciones que ocurren
alrededor del punto de operación.
Un filamento de tungsteno usualmente se representa por el símbolo
.
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3.1.8. Lámpara o Bombillo de Neón
La lámpara de neón está constituida por dos electrodos ubicados dentro de una ampolla de
vidrio, la cual se ha llenado con gas neón a baja presión. Se representa por el símbolo
.
El mecanismo de conducción de corriente en este caso difiere grandemente del
correspondiente a los metales. En los metales, el número de portadores es constante y la corriente
depende sólo de la intensidad del campo aplicado. En la lámpara de neón, los portadores de carga
no son constantes, ya que existe un proceso de creación de éstos (la ionización de los átomos del
gas hace que aparezcan portadores, tanto positivos [iones] como negativos [electrones]) y de
recombinación.
Existen normalmente en el gas átomos ionizados por la radiación presente en el ambiente y,
al mismo tiempo, procesos de recombinación, siendo el primer proceso el predominante. Al
introducir un pequeño campo (aplicación de una diferencia de potencial a través de los
electrodos), al principio la situación no varía significativamente (esto corresponde a la zona “A”
de la Figura 43). A medida que aumenta la tensión, los iones primarios son acelerados más
intensamente y pueden ionizar por choques a los átomos que encuentran a su paso,
incrementando así el número de portadores. Al tomar la tensión un valor de VEN (voltaje de
encendido), se produce una descarga y el tubo se enciende; en este instante la tensión se reduce
bruscamente, Este efecto se debe a que los procesos de creación se hacen predominantes sobre
los de recombinación (zona “B”, Figura 43).
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Figura 43
En la región “C” de la figura anterior, los procesos de creación de portadores son en
definitiva más importantes que los de recombinación. Al disminuir la tensión son desfavorecidas
las ionizaciones y la descarga cesa (VAP, voltaje de apagado).
3.2. Parte Experimental
Objetivos
• Conocer dispositivos eléctricos que presentan una característica tensión–corriente no
lineal (materiales no óhmicos).
• Analizar y discutir las características tensión–corriente de un: diodo semiconductor,
LED y bombillo de filamento de tungsteno.
• Comprender el proceso que diferencia la conductividad en cada uno de los elementos no
lineales, utilizados en la práctica.
Procedimiento
1.
Característica tensión–corriente de un diodo semiconductor.
1.a. Monte el circuito que se muestra a continuación:
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Figura 44
1.b. Varíe la tensión V0 y mida el voltaje Vd y la corriente Id (considere para Vd ocho valores
entre 0 V y 0,5 V e, igualmente, entre 0,5 V y 1 V). Vacíe los valores obtenidos en una
tabla.
1.c. Invierta el diodo y varíe V0 entre 0 y 20 V. Considere diez medidas en dicho intervalo.
Realice previamente un dibujo donde esquematice cómo conectará el o los multímetros
para medir Vd e Id en este caso.
1.d. Con los puntos obtenidos en los apartes 1.a y 1.b, realice la gráfica I(V) para el diodo
semiconductor.
1.e. A partir de la curva tensión–corriente obtenida, determine el voltaje de conducción del
diodo semiconductor (indíquelo en la gráfica y tabla de valores).
2.
Característica tensión–corriente de un bombillo con filamento de tungsteno.
2.a. Monte el circuito que se muestra a continuación:
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Figura 45
2.b. Varíe V0 hasta observar que el bombillo se enciende. Vuelva la perilla de la fuente a
cero y considere quince valores entre éste y un voltio por encima del valor de voltaje
para el cual se encendió el bombillo. Mida los valores de Vb y de ib (observe de nuevo
el voltaje de encendido).
2.c. Grafique los valores obtenidos [V(i)] e indique el voltaje de encendido.
2.d. Para cada par de valores de voltaje e intensidad, calcule la resistencia del filamento del
bombillo aplicando la ley de Ohm. Represente estos valores junto a la tabla de Vb e ib.
2.e. Haga un gráfico de Rb en función de ib en papel milimetrado y semilog. Deduzca la
relación entre las dos magnitudes.
Nota. Si obtiene una recta en papel semilog, aplique el método de mínimos cuadrados y
obtenga la relación empírica.
3.
Comportamiento de un LED.
3.a. Monte el circuito de la experiencia 1, colocando en este caso el LED que
se encuentra en su tablero de trabajo. El LED soporta una tensión ánadocátodo aproximadamente de 1,5V y una corriente de 20mA.
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3.b. Alimente el circuito con una tensión de 9V, mida el voltaje en el LED y en la
resistencia de protección. Calcule la intensidad de corriente que circula por la
resistencia, conocidos los datos de la sección (3.a.). Analice sus resultados.
3.c. Invierta el LED y repita todo el procedimiento de la sección (3.b.). Analice sus
resultados.
3.d. Considere para las medidas realizadas en (3.b. y 3.c), que el LED tiene las siguientes
características Vd = 2V y Id = 30mA. Repita los cálculos rezados en las secciones
anteriores.