UNIVERSIDAD NACIONAL DE ROSARIO

Facultad de Ciencias Exactas,

Ingeniería y Agrimensura

Escuela de formación básica

Departamento de física y química

Cátedra de física IV

Tema: Laboratorio Remoto. Análisis de

diversas junturas par.

Prof.: Susana Marchisio

Alumnos: Schulze Jonathan S-4848/8

Naldini Lucas N-1069/3

Mayo de

2013

A partir del empleo del laboratorio remoto analizaremos el comportamiento de diversas junturas, ensayando diversos dispositivos de juntura única. Obtención del .

Introducción teórica

Cuando se produce la unión de los semiconductores tipo p y n para formar el diodo, los portadores mayoritarios de sendos semiconductores (electrones en el n y huecos en el p) se difunden hacia el semiconductor opuesto como consecuencia delgradiente de concentración. De esta manera, los portadores que atraviesan la unión, se recombinarán con su par creando una zona libre de portadores a uno y otro lado de la unión, por lo que aparecerá una diferencia de potencial, V0, creado por las impurezas ionizadas de cada semiconductor. Esta ddp produce un campo eléctrico que detiene el proceso de difusión(pase de electrones hacia el p, pase de huecos al n). Cuandose aplica una tensión externa en los extremos del diodo, en forma directa (+ en p), se favorece el trasvace de electronesdel semiconductor n al p, y de huecos en sentido opuesto, debido a que la ddp externa V aplicada provoca la disminucióndel campo eléctrico que frenó el proceso de difusión. Se reduce la anchura de la zona de carga espacial (zona de impurezas ionizadas sin portadores libres). Los portadores que atraviesan la unión se difunden alejándose de ella hasta que se recombinan con los portadores mayoritarios del semiconductor opuesto.

Como consecuencia de los procesos de recombinación, ha de existir un aporte continuo de portadores, electrones desde ellado n hacia el lado p y de huecos en sentido opuesto, con objeto de mantener constante la concentración de minoritariosen cada punto. Este aporte continuo de carga constituye la verdadera corriente a través del diodo. Se trata pues de un proceso de difusión, en el cual la corriente de difusión es proporcional a la derivada de la concentración de portadores.

La corriente I en un diodo está determinada por la siguiente ecuación:

I0= corriente inversa de saturaciónq= carga del electrón = ek= constante de Boltzmann = 8,617x10-5. eV/KT= temperatura en Kelvin= constante característica del diodo llamado factor de idealidad

VT se conoce como tensión térmica o tensión equivalente de temperatura. Se obtiene como k.T/q = T/11600. Entonces, para T = 298 K VT = 26,7 mV.

El proceso de difusión se lleva cabo hasta una cierta longitud de cada lado de la unión debido a la recombinación de los portadores. Por lo que la densidad de corriente de portadores varía con la posición en consecuencia directa de los procesos de recombinación de los portadores que cruzan launión. De esta forma, la corriente en el diodo será mayor en cuanto la longitud de difusión predomine sobre el efecto de recombinación, y será menor en cuanto la longitud de difusión

I = I0 . ( eq.V/.k.T – 1) = I0

. (

no sea considerable y predomine el proceso de recombinación.De aquí se deduce el significado de .

La constante puede variar entre 1 y 2. Si 1 indica que elproceso dominante de transporte a través de la unión p-n del diodo es de difusión, mientras que si 2 se refiere a procesos de transporte en los que predomina la recombinación.

En los siguientes casos vamos a determinar el valor del llamado factor de idealidad ().

Los siguientes dispositivos están ensayados todos en polarización directa y a temperatura ambiente (25°C = 298K)

Diodo 1N4736A

Datos obtenidos:

Tensión (V) Corriente (mA)0,694 0,140,7 0,173

0,706 0,2080,71 0,2410,714 0,2730,717 0,309

0,72 0,3420,723 0,3740,728 0,4430,743 0,7810,753 1,1170,766 1,790,778 2,8060,789 4,1540,8 6,175

0,822 12,92

Gráfica:

Se puede observar en la gráfica, sobre el margen inferior a la derecha, que nos muestra la función I=I(V) en función de x e y.

De donde

I0 = 2,21x10-12 A 1/.VT = 35,796

y = 2,21x10-12 . I = 2,21x10-12 .

A temperatura ambiente (T= 25°C = 298K), en este diodo el factor de idealidad toma el valor:

q/.k.T = 35,796 = q/35,796.k.T= 1,088

= 1,088

Lo que nos indica que el proceso dominante de transporte a través de la unión p-n del diodo 1N4736A es de difusión.

Pero el calculado en función de la ecuación dada por el programa es un promedio de toda la función. No toda la curva característica tiene el mismo . Para ello realizamos la linealización logarítmica de la gráfica.

I = I0. eV/.VT (en directa se descarta el término -1dentro del paréntesis)

Al linealizar dicha función en escala logarítmica, obtenemos una ecuación del tipo y = a + bx

ln I = ln I0 + V/.VT

donde y = ln(I), a=ln(I0), b= 1/.VT y x=V

Según los datos obtenidos con el laboratorio remoto, realizamos la siguiente linealización.

Nota:

dicho procedimiento se llevará a cabo para todos los restantes dispositivos por medio del programa OriginPro.

VT = 26,7 x10-3 K (a temp. ambiente) queda determinado para el resto de los ensayos que:

I = I0. eV/.VT ln I = ln I0 + V/.VT b= 1/.VT = 1/b.VTy = a + bx

b=35,796a=-33,747

Aquí se puede observar que toda la gráfica contiene en casi todos sus puntos la misma pendiente, es decir el mismo b, lo que significa que el no varía. Sólo puede variar un poco en los primeros dos puntos.

Calculamos la linealización de dichos puntos y obtuvimos

b=35,27486 1/.VT = 35,27486 = 1,062

Por lo tanto, en la circulación de portadores del diodo analizado predomina considerablemente el proceso de difusión para cualquier valor de tensión aplicado en forma directa.

Diodo Zener

Dicho dispositivo se ensayó determinando la curva completa (en inversa y en directa), pero solo tuvimos en cuenta para el estudio los valores en directa para poder calcular el .

Datos obtenidos:

Tensión (V) Corriente (mA)0,693 0,1370,7 0,173

0,705 0,2050,709 0,2410,713 0,2730,717 0,3060,72 0,3420,722 0,3740,727 0,4430,743 0,7780,752 1,1170,765 1,790,778 2,8030,789 4,1540,8 6,175

0,822 12,92

Gráfica:

Aplicando logaritmo a ambos lado de la ecuación (procedimiento hecho en la juntura anterior) y linealizando obtuvimos:

a=-33,6274b=35,65455 1/.VT = 35,65455 = 1,05

Como ya habíamos mencionado, el factor de idealidad calculadoes un promedio de la linealización porque la pendiente varía en la secuencia de puntos. Pero en este caso es muy similar en todos sus puntos, por lo que podemos determinar a b como constante, de manera que es aproximadamente 1 para todos los valores de V aplicados.

De esta manera concluimos que a través del diodo Zener circula una corriente en la cual predomina considerablemente el proceso de difusión.

Led infrarrojo

Un diodo LED es un diodo emisor de luz, un dispositivo fotónico basado en una unión p-n semiconductora, que emite luz monocromática (es decir, de un solo color) cuando se polariza en directa y es atravesado por la corriente eléctrica. El color depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo pudiendo variar desde el ultravioleta, pasando por el espectro de luz visible, hasta el infrarrojo, recibiendo éstos últimos la denominaciónde LED IR.

Datos obtenidos:

Tensión (V) Corriente (mA)1,035 0,1631,045 0,1951,052 0,2281,06 0,261,066 0,2931,071 0,3261,075 0,3581,079 0,4071,086 0,4561,111 0,7981,127 1,1391,147 1,8071,167 2,8321,187 4,1671,207 6,2011,254 12,939

Gráfica:

Como se puede observar en la parte derecha inferior de la gráfica, el programa nos da la función I=I(V) nombrada en la introducción teórica. De manera que tenemos el valor de 1/.VT

1/.VT = 20,932 = 1,789

Este valor promedio de correspondiente al led analizado, nos determina que dicha juntura puede caracterizarse por tener una corriente en la cual predomina el proceso de recombinación por sobre el de difusión, ya que se aproxima a 2.

Pero dicho de la gráfica, por lo que calculamos la linealización de la función I(V) en escala logarítmica para obtener el por sector.

a=-30,403b=20,932 pendiente ya calculado por el laboratorio remoto

Se puede observar claramente que la pendiente varía en distintas secuencias de puntos. En los primeros 9 puntos se observa una pendiente (un b, lo que lleva a un valor de ) diferente a la pendiente que determinan el resto de los puntos. De esta manera, nos vimos obligados a realizar la linealización de estos puntos por separado.

Para los primeros que van desde 1,035V a 1,086V obtuvimos:

b=20,37 1/.VT = 20,37 = 1,839

Para los puntos que van desde 1,111V a 1,187V obtuvimos:

b=21,95 1/.VT = 21,95 = 1,706

Para los últimos dos valores 1,207V y 1,254V obtuvimos:

b=15,65 1/.VT = 15,65 = 2,393

Conclusión: Para distintos valores de I se obtuvieron los siguientes factores de idealidad:

Para V< 1,086V = 1,839Esto nos indica que a esos voltajes aplicados, el proceso quedomina al diodo es el de recombinación.

Para 1,111V < V < 1,187V = 1,706Entre esos voltajes, el proceso que predomina en el diodo es el de recombinación, pero no existe un gran dominio por sobrela difusión.

Para V> 1,207V = 2,393Claramente predomina el proceso de recombinación.

Como vimos, en el led infrarrojo para todos los voltajes en directa aplicados, en los procesos de transporte que se producen en el mismo prevalece el de recombinación. El análisis realizado está en lo correcto debido a que, en directa, todos los diodos emiten una cierta cantidad de radiación cuando los pares electrón-hueco se recombinan, y cuanto más predomine la recombinación mayor radiación infrarroja tendrá el led infrarrojo.

Transistor Bijuntura BC548C Juntura B-C (dispositivo invertido)

Datos obtenidos:

VBC (V) Ib (uA)0 0,122

0,024 1,3430,153 2,6860,283 3,9060,411 5,2490,54 6,5920,63 11,841

0,665 22,3390,686 34,5460,701 47,2410,71 60,425

0,721 73,486

0,729 86,7920,736 100,4640,741 114,0140,746 127,6860,751 141,4790,754 155,2730,759 168,9450,763 182,8610,765 196,6550,769 210,5710,771 224,4870,774 238,5250,776 252,4410,779 266,4790,781 280,3960,782 294,3120,785 308,350,787 322,2660,789 336,4260,791 350,342

Gráfica:

Aplicando logaritmo y linealizando obtuvimos:

En dicha linealización se puede observar que la pendiente varía demasiado. Podemos de esta forma definir dos sectores cada uno con una pendiente (b) diferente.

V

Para 0,153V < V < 0,54V:

b=2,319 1/.VT = 2,319 = 16,15

Para 0,63V < V< 0,791V :

b=21,566 1/.VT = 21,566 = 1,737

Lo analizado anteriormente nos permite decir que a partir de una tensión determinada, en este caso 0,63V, la corriente aumenta exponencialmente y el proceso que predomina en el transporte de los portadores es el de recombinación ya que elfactor de idealidad se acerca al valor 2.

Transistor Bijuntura 2N580 Juntura B-C (dispositivo invertido)

Datos obtenidos:

VBC (V) Ib (uA)0 0

0,032 1,0990,138 4,5170,183 14,160,205 26,1230,219 38,940,228 52,2460,236 65,6740,242 79,3460,248 92,8960,251 106,6890,256 120,4830,26 134,277

0,264 148,0710,266 161,9870,27 175,781

0,272 189,6970,275 203,7350,277 217,6510,28 231,567

0,282 245,4830,284 259,5210,286 273,560,288 287,4760,289 301,5140,292 315,430,294 329,468

0,295 343,5060,297 357,5440,299 371,5820,3 385,62

0,302 399,658

Gráfica:

Aplicando logaritmo y linealizando pudimos analizar que existen tres regiones con distintas pendientes (b).

Para 0,138V < V < 0,219V :

b=26,5076 1/.VT = 20,5076 = 1,826

Para 0,228V < V < 0,289V :

b=28,39809 1/.VT = 28,39809 = 1,319

Para 0,292V < V < 0,302V :

b=23,85 1/.VT = 23,85 = 1,57

Conclusión: Al distinguir tres regiones con diferentes pendientes en la linealización que se aplicó a la gráfica IvsV del transistor bijuntura propiamente dicho, podemos observar que a diferentes voltajes aplicados, el transporte de portadores en la juntura tiene distintos procesos dominantes.

Para 0,138V < V < 0,219V = 1,826 En este caso, la recombinación predomina en la conducción.

Para 0,228V < V < 0,289V = 1,319Predomina el proceso de difusión en el desplazamiento de los portadores.

Para 0,292V < V < 0,302V = 1,57El transporte de portadores está caracterizado por ambos procesos pero se acerca más al 2 por lo que se podría decirque hay un predominio leve del proceso de recombinación.

Transistor Bijuntura BC548C Juntura B-E

Datos obtenidos:

VBE (V) Ib (uA)0 0

0,074 1,3430,204 2,5630,332 3,9060,461 5,2490,566 8,9110,61 18,677

0,632 30,640,648 43,2130,66 56,274

0,669 69,4580,677 82,8860,684 96,4360,69 109,985

0,695 123,657

0,699 137,4510,703 151,1230,708 164,9170,712 178,8330,714 192,6270,718 206,5430,72 220,459

0,723 234,3750,725 248,2910,728 262,2070,73 276,245

0,731 290,2830,734 304,1990,736 318,2370,737 332,1530,74 346,313

0,741 360,229

Gráfica:

Aplicamos logaritmo y linealización para observar que es lo que sucede con la pendiente b, que es lo que queremos obtenerpara determinar el .

Se puede concluir que hay dos regiones con diferentes pendientes. De 0,2V a 0,461V y de 0,566V a 0,741V, aproximadamente. Vamos a calcularlas y a determinar los diferentes .

De 0,204V a 0,461V:

b=2,78869 1/.VT = 2,78869 = 13,43

De 0,566V a 0,741 la pendiente resulta aproximadamente constante a lo largo de toda esa secuencia de puntos

b=21,8718 1/.VT = 21,8718 = 1,712

Lo que nos indica que a partir de un voltaje mayor a 0,566V el proceso que predomina en la juntura es el de recombinación.

Transistor Bijuntura 2N580 Juntura B-E

Datos obtenidos:

VBE (V) Ib (uA)0 0

0,068 2,1970,127 10,620,151 22,3390,166 35,0340,176 48,2180,184 61,6460,19 75,073

0,197 88,7450,201 102,5390,205 116,211

0,209 130,0050,212 143,7990,216 157,7150,219 171,6310,222 185,5470,225 199,4630,227 213,3790,229 227,2950,232 241,3330,233 255,2490,236 269,2870,238 283,2030,239 297,2410,242 311,2790,243 325,3170,244 339,3550,247 353,3940,248 367,4320,249 381,3480,25 395,508

0,253 409,546

Gráfica:

Mismo procedimiento llevado a cabo en cada una de las junturas; escala logarítmica y linealización para obtener el b (pendiente).

Podemos subdividir la linealización en tres sectores con diferentes pendientes.

Sector 1: va desde 0,068V a 0,127V

1

2

3

b=26,706 1/.VT = 26,706 = 1,4

Por lo tanto, en este intervalo de tensión, en el transistor predomina el proceso de difusión aunque no existe una gran diferencia con el de recombinación.

Sector 2, va desde 0,151V a 0,212V:

b=30,437 1/.VT = 30,437 = 1,231

Esto nos indica que en este sector del dicho intervalo de voltajes, el se acerca a 1 lo que nos lleva a deducir que en el transporte de portadores dentro de la juntura predominael proceso de difusión.

En el sector 3, que va desde 0,216V hasta 0,253V:

Obtenemos un b promedio de la linealización de dicho sector

b=26,288 1/.VT = 26,288 = 1,425

En este intervalo vuelve a predominar el proceso de difusión pero no hay un predominio tan claro por sobre el de recombinación.

NOTA:

los transistores se estudiaron en alimentación abierta de manera de considerarlo como una juntura par.

los determinados fueron obtenidos de manera aproximada, de manera tal que cada uno es una aproximación.