Ingeniería Electrónica · 2025
Sistema de medición precisa para la caracterización de parámetros en diodos, transistores BJT y MOSFET
Se desarrolló un sistema de medición con exactitud para la caracterización de parámetros eléctricos en semiconductores, específicamente diodos, BJT (unión bipolar) y MOSFET. Para cada tipo de semiconductor, se midió el voltaje forward y voltaje de ruptura en diodos; VBE(on) y la ganancia Beta en transistores BJT tipo NPN; así como el VGS(th) y RDS(on) en transistores MOSFET de canal N. El diseño del sistema se basó en el desarrollo de un circuito, capaz de utilizar diferentes fuentes de corrientes constantes dependiendo del tipo del semiconductor a medir. Se emplearon fuentes de corriente de 20 mA para diodos, 200 mA para medir RDS(on), 250 µA para VGS(th) y 200 µA para la medición de Beta. Durante el desarrollo se integró un microcontrolador con el propósito de adquirir y mostrar en tiempo real los parámetros registrados, optimizando así los procesos de validación y selección de dispositivos. Principalmente, se obtuvo un sistema funcional que permite obtener mediciones exactas, permitiendo la validación de los valores técnicos reales de cada semiconductor independientemente del lote de fabricación.
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Contenido
- 1. INTRODUCCIÓNp. 13
- 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAp. 14
- 2.1 Antecedentes y Estado del Artep. 14
- 2.1.1 Trazador de curvasp. 14
- 2.1.2 Multímetrop. 17
- 2.1.3 Probador de transistoresp. 18
- 2.2 Descripción y Formulación del Problemap. 20
- 2.3 Justificaciónp. 20
- 2.4 Objetivosp. 21
- 2.4.1 Objetivo Generalp. 21
- 2.4.2 Objetivos Específicosp. 21
- 2.5 Alcance y Limitaciones del Proyectop. 21
- 3. MARCO DE REFERENCIAp. 22
- 3.1 Marco Teórico o Conceptualp. 22
- 3.1.1 Voltaje Forwardp. 22
- 3.1.2 Voltaje de ruptura del diodo Zenerp. 23
- 3.1.4 Valor Beta de un transistor BJTp. 26
- 3.1.5 Voltaje de umbral del Mosfetp. 27
- 3.1.6 Resistencia de encendido del Mosfetp. 27
- 4. DESARROLLO DEL PROYECTOp. 29
- 4.1 Requerimientosp. 29
- 4.2 Metodología del Diseñop. 30
- 4.3 Desarrollo del productop. 31
- 4.3.1 Voltaje Forward (Vf)p. 31
- 4.3.2 Voltaje de ruptura Zener (VZ)p. 46
- 4.3.3 Voltaje umbral (VGS(th))p. 51
- 4.3.4 Resistencia de encendido (RDS(on))p. 58
- 4.3.5 Voltaje de encendido (VBE(on))p. 64
- 4.3.6 Beta (HFE)p. 105
- 4.3.7 Microcontroladorp. 76
- 4.3.8 Circuito finalp. 78
- 4.3.9 Bill of Materials (BOM)p. 79
- 4.3.10 Alimentación del sistemap. 81
- 5. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOSp. 85
- 6. CONCLUSIONESp. 91
- 7. RECOMENDACIONESp. 92
- 8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICASp. 93
- Tabla 1. Características técnicas del trazador de curvas 370B [1]p. 15
- Tabla 2. Características técnicas del trazador de curvas Tek 575 [2]p. 16
- Tabla 3. Características técnicas del trazador de curvas Keithley 2600 Series SMU [3]p. 17
- Tabla 4. Características técnicas del multímetro UT61E [4]p. 18
- Tabla 5. Características técnicas del medidor LCR-T7 [5]p. 19
- Tabla 6. Cronograma corte 1 - definición [diseño propio]p. 30
- Tabla 7. Cronograma corte 2 - conceptualización [diseño propio]p. 30
- Tabla 8. Cronograma corte 3 - implementación [diseño propio]p. 30
- Tabla 9. Características técnicas de transistores [14]p. 35
- Tabla 10. Características técnicas de amplificadores operacionales [14]p. 42
- Tabla 11. Características técnicas de pantallas LCD [14]p. 44
- Tabla 12. Selección del Microcontrolador [diseño propio]p. 78
- Tabla 13. BOM (Bill of Materials) [diseño propio]p. 79
- Tabla 14. Pruebas para diodos (Vf) [diseño propio]p. 85
- Tabla 15. Pruebas para diodos Zener (Vz) [diseño propio]p. 86
- Tabla 16. Pruebas para Mosfet (VGS(th)) [diseño propio]p. 87
- Tabla 17. Pruebas para RDS(on) [diseño propio]p. 88
- Tabla 18. Pruebas para Beta [diseño propio]p. 89
- Tabla 19. Pruebas para VBE(on) [diseño propio]p. 90
- Figura 1. Trazador de curvas 370B [1]p. 14
- Figura 2. Trazador de curvas Tek 575 [2]p. 16
- Figura 3. Trazador de curvas Keithley 2600 Series SMU [3]p. 17
- Figura 4. Multímetro UT61E [4]p. 18
- Figura 5. Medidor LCR-T7 para transistores [5]p. 19
- Figura 6. Gráfica de delación i-v de un diodo [7]p. 22
- Figura 7. Polarización directa [9]p. 23
- Figura 7. Gráfica característica I-V del diodo zener con la región de ruptura [8]p. 23
- Figura 8. Polarización inversa [9]p. 24
- Figura 9. Polarización base común PNP (a); NPN (b) [8]p. 25
- Figura 10. Gráfica de salida en un transistor configurado en base común [8]p. 25
- Figura 11. Polarización emisor común NPN (a); PNP (b) [8]p. 26
- Figura 12. Polarización colector común NPN (a); PNP (b) [8]p. 26
- Figura 13. Medida de RDS(on) [9]p. 28
- Figura 14. Diseño de caja negra Vf [diseño propio]p. 31
- Figura 15. Diagrama de bloques caja negra Vf [diseño propio]p. 32
- Figura 16. Esquemático generador de corriente constante empleando BJT y Zener[11]p. 33
- emisor [diseño propio]p. 34
- Figura 18. Fuente de corriente constante de 20mA [diseño propio]p. 37
- utilizando transistores BJT [8]p. 37
- corriente utilizando transistores BJT [8]p. 39
- Figura 21. Fuente de corriente con LM317 [12]p. 39
- Figura 22. Simulación del generador de corriente constante empleando LM317 [11]p. 40
- Figura 23. Acondicionador del medidor de voltaje [diseño propio]p. 42
- Figura 24. Simulación del acondicionador medidor de voltaje [diseño propio]p. 43
- 1N4007 [diseño propio]p. 45
- LED [diseño propio]p. 45
- schottky [diseño propio]p. 45
- Figura 28. Diseño total para el voltaje forward [diseño propio]p. 46
- Figura 29. Diseño de caja negra Vz [diseño propio]p. 47
- Figura 30. Diagrama de bloques caja negra Vz [diseño propio]p. 48
- zener [11]p. 49
- zener [diseño propio]p. 49
- zener [diseño propio]p. 50
- Figura 34. Diseño total para el voltaje de ruptura [diseño propio]p. 50
- Figura 35. Conexión para medir el voltaje de umbral del Mosfet [10]p. 51
- Figura 36. Diseño de caja negra VGS(th)[diseño propio]p. 51
- Figura 37. Diagrama de bloques caja negra Vgs(th) [diseño propio]p. 52
- Figura 38. Simulación circuito 1 [diseño propio]p. 54
- Figura 39. Amplificador diferencial [diseño propio]p. 55
- Figura 40. Implementación del amplificador diferencial [diseño propio]p. 55
- Figura 41. Simulación de la fuente de corriente con BJT para Vgs(th) [diseño propio]p. 56
- Figura 42. Simulación de la fuente de corriente con BJT para Vgs(th) [diseño propio]p. 57
- Figura 43. Diseño total para el Vgs(th) [diseño propio]p. 57
- Figura 44. Conexión para medir la resistencia de encendido del Mosfet [10]p. 58
- Figura 45. Diseño de caja negra Rds(on) [diseño propio]p. 59
- Figura 46. Diagrama de bloques caja negra Rds(on) [diseño propio]p. 59
- Figura 47. Simulación del generador de corriente constante empleando LM317 [11]p. 61
- Figura 48. Simulación de amplificador no inversor [diseño propio]p. 62
- propio]p. 63
- Figura 52. Diseño de caja negra VBE(on) [diseño propio]p. 64
- Figura 53. Diagrama de bloques caja negra Rds(on) [diseño propio]p. 65
- Figura 54. Arreglo de resistencias R2R [diseño propio]p. 66
- Figura 55. Señal rampa del arreglo R2Rp. 66
- Figura 56. Simulación arreglo R2R en BJT para Vbe(on) [diseño propio]p. 68
- Figura 57. Simulación arreglo R2R en BJT para Vbe(on) [diseño propio]p. 68
- [diseño propio]p. 69
- Figura 59. Diseño de caja negra Beta [diseño propio]p. 70
- Figura 60. Diagrama de bloques caja negra Beta [diseño propio]p. 70
- Figura 61. Fuente de corriente constante de 20mA [diseño propio]p. 72
- corriente utilizando transistores BJT [8]p. 73
- Figura 63. Simulación del acondicionador del medidor de voltaje [diseño propio]p. 74
- propio]p. 75
- propio]p. 75
- Figura 66. Simulación circuito total para Beta [diseño propio]p. 76
- Figura 67. Diagrama de flujo del sistema que se ejecuta en el PIC [diseño propio]p. 77
- Figura 68. Circuito final unificado [diseño propio]p. 79
- Figura 69. Fuente AC/DC con salida de 5V [diseño propio]p. 83
- Figura 70. Fuente AC/DC con salida de 10V [diseño propio]p. 83
- Figura 71. Fuente AC/DC con salida de 12V [diseño propio]p. 84
- Figura 72. Fuente AC/DC con salida de 17V [diseño propio]p. 84
- Figura 73. Fuentes de corriente constante [diseño propio]p. 96
- Figura 74. Conexión de pines con los PICs [diseño propio]p. 96
- Figura 75. Arreglo R2R y módulo expansor de pines PC88574 [diseño propio]p. 97
- Figura 76. Amplificador convertidor de voltaje a corriente [diseño propio]p. 98
- Figura 77. Amplificador comparador con voltaje de referencia [diseño propio]p. 98
- (U3:B, U8:A) [diseño propio]p. 99
- Figura 79. Conexión LCD, Vf y VZ [diseño propio]p. 99
- Figura 80. Conexión Mosfet [diseño propio]p. 100
- Figura 81. Conexión BJT NPN [diseño propio]p. 100
- Figura 82. Conexiones para la medición de los semiconductores [diseño propio]p. 100
- Figura 83. Diseño completo fuente de alimentación [diseño propio]p. 101