pd1 curvas caracteristicas diodos

eLab, Laboratorio Remoto de Electrnica

ITESM, Depto. de Ingeniera Elctrica

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PRCTICA PD1

CARACTERSTICAS DE VOLTAJE CONTRA CORRIENTE DE

DIODOS SEMICONDUCTORES

OBJETIVOS

Determinar tericamente y de manera experimental los parmetros de funcionamiento de diferentes tipos de diodos semiconductores y graficar sus curvas caractersticas de voltaje contra

corriente.

Conocer e interpretar los parmetros de funcionamiento que los fabricantes de diodos semiconductores presentan en sus hojas de especificaciones.

1.1 INTRODUCCIN

Principio de funcionamiento del Diodo Semiconductor

El diodo es un dispositivo que permite el flujo de corriente en una sola direccin. Su

funcionamiento puede ser comparado al de una vlvula de agua de las llamadas vlvulas "check".

Observe en la Figura 1.1(a) como la presin de agua es aplicada en el extremo derecho de dicha vlvula

de tal forma que provoca que esta se abra, permitiendo el flujo de agua en una direccin (en este caso

de izquierda a derecha). Por otro lado, en la Figura 1.1(b), se observa como la presin de agua es

aplicada en direccin opuesta, lo que mantiene la vlvula cerrada evitando el flujo de agua.

Esta analoga sirve para explicar el funcionamiento de un diodo, ya que idealmente el diodo se

comporta como una vlvula electrnica. Cuando se aplica un voltaje entre las terminales de un diodo, la

polaridad del voltaje aplicado provoca que el diodo se encuentre en uno de dos estados posibles:

Estado 1. El diodo conduce la corriente en una determinada direccin. Este estado tambin es llamado

de polarizacin directa. Se dice que el diodo se encuentra polarizado directamente cuando aplicamos un voltaje positivo de nodo con respecto al ctodo. En la Figura 1.2 (a) y (b), se observa como el

comportamiento del diodo es similar al de un interruptor cerrado permitiendo la circulacin de

corriente.

(a) Vlvula abierta (b) Vlvula cerrada

Figura 1.1 En estas figuras se compara el funcionamiento de un diodo con el de una vlvula de agua tipo check.

Flujo de agua

Presin

Vlvula abierta

Vlvula cerrada

Presin

PD1 - Caractersticas V-I de Diodos

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Estado 2. El diodo bloquea el flujo de la corriente en sentido inverso. Este estado tambin es llamado

de polarizacin inversa. Se dice que el diodo se encuentra polarizado inversamente cuando aplicamos un voltaje negativo de nodo con respecto al ctodo. En la Figura 1.3 (a) y (b), se observa como el

comportamiento del diodo es similar al de un interruptor abierto, y por lo tanto, no permite el flujo de

corriente. Observe que en este caso la polaridad de la fuente de voltaje se ha invertido en comparacin

con el circuito de la Figura 1.2(a).

(a) (b) Figura 1.2 a) Representacin de un circuito con diodo en polarizacin directa. b) Circuito equivalente simplificado

Carga

-- +

Diodo

1N4007

Fuente de

voltaje

I

V

Direccin de la corriente

CargaCarga

-- +

Diodo

1N4007

Fuente de

voltaje

I

V


Carga

-- +

Diodo como

interruptor cerrado

Fuente de

voltaje

I

V


CargaCarga

-- +

Diodo como

interruptor cerrado

Fuente de

voltaje

I

V


(a) (b)

Figura 1.3 a) Representacin de un circuito con diodo en polarizacin inversa. b) Circuito equivalente simplificado

Carga

+ --

Diodo

1N4007

Fuente de

voltaje

V

CargaCarga

+ --

Diodo

1N4007

Fuente de

voltaje

V

Carga

+ --

Diodo como

interruptor abierto

Fuente de

voltaje

V

Corriente bloqueada

I=0 A

CargaCarga

+ --

Diodo como

interruptor abierto

Fuente de

voltaje

V

Corriente bloqueada

I=0 A


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Construccin y smbolo del diodo

Un diodo se construye uniendo dos capas de materiales semiconductores, una capa de material

semiconductor tipo P y una capa de material tipo N. En la Figura 1.4(a) se representa la estructura

bsica de un diodo. La terminal conectada a la regin N es llamada ctodo (K), y la terminal conectada

a la regin P, se conoce como nodo (A). Por otro lado, en la Figura 1.4(b) se ilustra el smbolo

elctrico usado para representar el diodo.

Bibliografa

Libro de Texto:

Microelectronics; Circuit Analysis and Design (Chapter 1) Donal A. Neamen, McGraw Hill, 3

rd Edition, 2007

Libros de Consulta:

Electronic Devices (Chapter 1) Thomas L. Floyd, Prentice Hall, 6

th Edition, 2002

Electronic Circuits; Analysis, Simulation, and Design (Chapter 3) Norbert R. Malik, Prentice Hall, 1995

Electronic Devices and Circuits (Chapter 1 and 2) Robert T. Paynter, Prentice Hall, 7

th Edition, 2006

(a) (b)

Figura 1.4 a) Estructura bsica de un diodo b) Smbolo elctrico

nodo

(A)

Ctodo

(K)


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1.2 ACTIVIDAD PREVIA

Instrucciones

Siga detalladamente las instrucciones para cada uno de los puntos que se plantean en la

presente actividad. Conteste y/o resuelva lo que se le pide en los espacios correspondientes para cada

pregunta. Hgalo de manera ordenada y clara. En el reporte agregue en el espacio asignado grficas

comparativas, anlisis de circuitos, simulaciones en computadora, ecuaciones, referencias

bibliogrficas, ejemplos, aplicaciones, segn sea el caso.

No olvide colocar una portada con sus datos de identificacin as como los datos relacionados

con la prctica en cuestin, como nmero de prctica, titulo, fecha, etc.

Desarrollo de la actividad previa

I) Lea detenidamente el capitulo 1 de su libro de texto (Materiales Semiconductores y Diodos) y conteste lo siguiente:

Utilizando una analoga diferente a la de la vlvula check describa con sus propias palabras el funcionamiento ideal de un diodo.

_____________________________________________________________________________

____________________________________________________________

Dibuje el smbolo elctrico del diodo y especifique las terminales de nodo y ctodo. Dibuje tambin la estructura interna de las capas de semiconductor de un diodo e identifique sus

terminales.

Realice una comparacin entre las caractersticas de voltaje contra corriente real de un diodo y su caracterstica ideal.

_____________________________________________________________________________

____________________________________________________________

Defina el Voltaje de Directa (Forward Voltage) VF y Voltaje de Ruptura VBR. Qu papel desempean en el comportamiento de un diodo?

_____________________________________________________________________________

____________________________________________________________

(Agregue aqu los dibujos correspondientes)


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Investigue el concepto de resistencia de CA o dinmica aplicada a un diodo. Proporcione una explicacin para este concepto.

_____________________________________________________________________________

____________________________________________________________

Demuestre matemticamente que la resistencia dinmica de un diodo tambin puede calcularse como:

D

T

D

D

DI

V

di

dvr

donde ID es la corriente que circula por el diodo en un punto de operacin especfico y VT es el

Voltaje Trmico. Para que regiones de la curva caracterstica es vlida esta ecuacin?

_____________________________________________________________________________

____________________________________________________________

Explique el significado de Voltaje Trmico VT (aplicado a un diodo semiconductor). Determine tambin la ecuacin con la cual se puede calcular.

_____________________________________________________________________________

____________________________________________________________

II) Hoja de especificaciones de diodos. Los datos que los fabricantes proporcionan en sus hojas de especificaciones acerca de los dispositivos semiconductores son piezas claves para la correcta

utilizacin del dispositivo. Estas incluyen grficas, tablas, identificacin de terminales, materiales

utilizados en la construccin del dispositivo, temperaturas de operacin, corrientes mximas

permitidas, dimensiones, recomendaciones generales, etc..

A continuacin se presenta una lista con los datos ms importantes que deben conocerse para una

correcta utilizacin de un diodo. Se pide que comprendas el significado de cada uno de ellos.

1. Tipo de diodo

2. El voltaje de conduccin en directa VF (a una corriente y temperatura especficas)

3. La corriente directa mxima IF (a una temperatura especfica)

4. La corriente de saturacin inversa IR (a un voltaje y temperatura especficos)

5. El voltaje de ruptura VBR (breakdown) (a una temperatura especificada)

6. La capacidad mxima de disipacin de potencia a una temperatura en particular

7. El tiempo de recuperacin inverso trr

8. El rango de temperatura de operacin

Otros datos adicionales que dependen del tipo de diodo que se trate son: rango de frecuencia,

caractersticas pticas, el nivel de ruido, el tiempo de conmutacin, los niveles de resistencia

trmica y los valores pico repetitivos.

III) Imprima la hoja de datos del fabricante para los siguientes modelos de diodos: 1N4001, HLMP-

M200 y 1N5818. Estudie la hoja de datos de cada modelo. Nota, tome en cuenta que algunos

fabricantes pueden omitir algunos parmetros.


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IV) Tomando en cuenta la informacin contenida en la hoja de datos de cada modelo de diodo conteste

lo siguiente:

A que tipo de diodo corresponde cada modelo. Llene la siguiente tabla comparativa:

Modelo Tipo de Diodo

1N4001 1N5818

HLMP-M200

Para cada modelo indicado, llene la siguiente tabla con los parmetros que se especifican en ella. Considere los parmetros a temperatura ambiente (25C).

Parmetro 1N4001 1N5818 HLMP-M200

Voltaje de directa (VF)

Para una IF=200mA

Para una IF=100mA

Para una IF=40mA

Corriente directa mxima

(IF) promedio o continua

Corriente directa (IF) pico

no repetitiva

Voltaje de ruptura (VBR)

Corriente de saturacin

inversa IR a voltaje inverso

VR mximo

Disipacin mxima de

potencia

Rango de temperaturas de

operacin

Para los tres modelos de diodos, observe los valores de corriente directa (IF) promedio o continua y comprelos con los de la corriente directa pico no repetitiva. En relacin a estos

valores de corriente Qu puede concluir? Suponga que en cada uno de los diodos mantenemos

constante el valor de la corriente pico durante un tiempo prolongado. Qu efecto tendra esta

accin en el dispositivo?

_____________________________________________________________________________

_________________________________________________________

En que afecta la temperatura ambiente a la corriente directa IF del diodo? _____________________________________________________________________________

_________________________________________________________


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1.3 PROCEDIMIENTO

En esta seccin se construirn, de forma experimental, las curvas caractersticas de voltaje

contra corriente para tres diferentes modelos de diodos. A partir de ellas se obtendrn varios parmetros

de inters, tales como la resistencia interna del diodo, voltaje de umbral, corriente de saturacin

inversa, voltaje trmico, etc. Una vez recolectados los datos para cada modelo de diodo, se pide que a

partir de esta informacin se identifique el modelo especfico de cada uno.

Construccin de la curva caracterstica de voltaje contra corriente. A continuacin se describe el

procedimiento para la construccin de la curva caracterstica de voltaje contra corriente de cada diodo.

Para ello se utiliza la interfase grfica del Laboratorio Remoto de Electrnica (eLab).

Para la construccin de la curva caracterstica de voltaje contra corriente, ajuste el valor de voltaje de la

batera de acuerdo a las siguientes recomendaciones: para voltajes positivos se sugieren incrementos de

0.05 a 0.1V; mientras que para valores negativos es recomendable realizar incrementos de 0.5 a 1V.

Observe en la Figura 1.5 como este voltaje se aplica directamente a las terminales del diodo. Una vez

seleccionado el nivel de voltaje, presione el botn Execute. Esta accin es la encargada de aplicar el voltaje seleccionado fsicamente al dispositivo semiconductor. Para cada nivel de voltaje aplicado, el

sistema mide la corriente que se establece en el diodo y grafica a la vez cada punto de voltaje contra

corriente. Debe ir ajustando el valor de la fuente de voltaje, tanto para valores positivos como para

valores negativos, de manera que vaya construyendo la curva caracterstica del diodo.

I) Voltaje Trmico VT

a) Temperatura de operacin del diodo. Tome la lectura de la temperatura (en C) a la cual estn

operando los diodos, este dato se puede obtener de la interfase grfica del Laboratorio Remoto de

Electrnica (eLab).

Temperatura de operacin (C)

b) Voltaje Trmico VT. Con el dato de temperatura obtenido en el inciso anterior calcule el Voltaje

Trmico. Realice los clculos en el siguiente espacio y anote su resultado.

Figura 1.5 Circuito para la construccin de la curva de voltaje contra corriente


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Voltaje Trmico VT

II) Diodo Semiconductor 1

a) Construya punto por punto, de acuerdo al procedimiento descrito anteriormente, la curva

caracterstica de voltaje contra corriente del diodo 1. En el siguiente recuadro inserte la curva

caracterstica obtenida.

b) Mediciones de voltaje y corriente en diferentes puntos de operacin. Ajuste el voltaje aplicado

para obtener la corriente indicada en cada caso (puede aproximar el valor de la corriente de prueba).

Complete la siguiente tabla.

Voltaje aplicado V Corriente ID

V1= ID1= (10 mA)

V2= ID2= (8 mA)

V3= ID3= (6 mA)

V4= ID4= (4 mA)

V5= ID5= (2 mA)

V6= ID6= (1.5 mA)

V7= ID7= (1 mA)

V8= ID8= (0.5 mA)

c) Calculo de la resistencia promedio. Ahora se calcular la resistencia promedio para este diodo en

varios puntos de operacin. Utilizando los resultados del inciso anterior, realice los clculos respectivos

y llene la siguiente tabla.

Tipo de diodo Resistencia promedio

Con ID2=8 mA y

mA2 DI

31

31

DDd

d

AVII

VV

I

Vr

Resistencia promedio

Con ID4=4 mA y

mA2 DI

53

53

DDd

d

AVII

VV

I

Vr


Con ID7=1 mA y

mA5.0 DI

86

86

DDd

d

AVII

VV

I

Vr

Diodo 1 rAV = rAV = rAV =

(Agregue aqu la curva caracterstica correspondiente al diodo 1)


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d) Clculo de la resistencia dinmica utilizando la definicin. Utilizando la formula

D

T

I

Vdr

calcule la resistencia dinmica para los siguientes casos:

Tipo de diodo Resistencia dinmica con ID2=8 mA

Resistencia dinmica

con ID4=4 mA Resistencia dinmica con

ID7=1 mA

Diodo 1 rd = rd = rd =

e) Voltaje de umbral. Con la curva caracterstica de voltaje contra corriente obtenida en el inciso a)

del procedimiento realice los trazos adecuados para calcular el voltaje de umbral del diodo. Se

recomienda que realice el siguiente procedimiento: primero, trace una lnea recta tangente a la regin

de plena conduccin del diodo, enseguida, extienda esta lnea hasta que sta cruce el eje horizontal.

Finalmente, el voltaje en el cual la lnea recta corta el eje horizontal corresponde al voltaje de umbral

VTh del diodo.

Para el presente diodo, a continuacin, anote el valor de voltaje de umbral obtenido:

Voltaje de Umbral del Diodo VTh

f) Corriente de Saturacin Inversa. Empleando la ecuacin de Shockley que describe la relacin

terica entre el voltaje y la corriente del diodo, utilice los puntos de medicin de voltaje y corriente

obtenidos en el inciso (b) del procedimiento y calcule la Corriente de Saturacin Inversa IS del diodo.

Corriente de prueba ID Voltaje de prueba V Corriente IS

(10 mA)

(6 mA)

(2 mA)

III) Diodo Semiconductor 2






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V1= ID1= (10 mA)

V2= ID2= (8 mA)

V3= ID3= (6 mA)

V4= ID4= (4 mA)

V5= ID5= (2 mA)

V6= ID6= (1.5 mA)

V7= ID7= (1 mA)

V8= ID8= (0.5 mA)





Con ID2=8 mA y

mA2 DI

31

31

DDd

d

AVII

VV

I

Vr


Con ID4=4 mA y

mA2 DI

53

53

DDd

d

AVII

VV

I

Vr


Con ID7=1 mA y

mA5.0 DI

86

86

DDd

d

AVII

VV

I

Vr



D

T

I

Vdr



Resistencia dinmica


ID7=1 mA

Diodo 2 rd= rd= rd=






VTh del diodo.


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Para el presente diodo, a continuacin, anote el valor del voltaje de umbral obtenido:






(10 mA)

(6 mA)

(2 mA)

IV) Diodo Semiconductor 3








V1= ID1= (10 mA)

V2= ID2= (8 mA)

V3= ID3= (6 mA)

V4= ID4= (4 mA)

V5= ID5= (2 mA)

V6= ID6= (1.5 mA)

V7= ID7= (1 mA)

V8= ID8= (0.5 mA)






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Con ID2=8 mA y

mA2 DI

31

31

DDd

d

AVII

VV

I

Vr


Con ID4=4 mA y

mA2 DI

53

53

DDd

d

AVII

VV

I

Vr


Con ID7=1 mA y

mA5.0 DI

86

86

DDd

d

AVII

VV

I

Vr



D

T

I

Vdr



Resistencia dinmica


ID7=1 mA

Diodo 3 rd = rd = rd =






VTh del diodo.

Para el presente diodo, a continuacin, anote el valor del voltaje de umbral obtenido:






(10 mA)

(6 mA)

(2 mA)


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1.4 ACTIVIDADES Y CONCLUSIONES FINALES

1.- Para cada tipo de diodo, observe la tabla obtenida en el inciso (c) del procedimiento qu sucede

con su resistencia promedio a medida que disminuye la corriente que circula por l? Proporcione una

explicacin para estos resultados.

___________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________

__________________________________________________________

2) Para cada tipo de diodo, observe los datos obtenidos en el inciso (d) del procedimiento. Qu sucede

con la resistencia dinmica a medida que disminuye el punto de operacin? Justifique su respuesta

___________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________

__________________________________________________________

3) Para cada diodo compare los resultados obtenidos en el inciso (c) y (d) del procedimiento. Explique

el motivo de las diferencias en los resultados de ambos incisos.

___________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________

__________________________________________________________

4) Para los modelos de diodos analizados en la presente prctica realice una comparacin entre sus

voltajes de umbral. Complete la siguiente tabla.

Diodo 1 Diodo 2 Diodo 3

Voltaje de umbral VTh

A continuacin, mencione cuales son las causas que dan lugar a las diferencias en los resultados de la

tabla anterior.

___________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________

_____________________________________________________

5) De los modelos de diodos analizados en el punto IV de la actividad previa y en base a las mediciones

efectuadas en el procedimiento Determine el modelo correspondiente para cada tipo de diodo

analizado en el procedimiento de la practica?

Modelo Tipo de Diodo

Diodo 1

Diodo 2

Diodo 3

pd1 curvas caracteristicas diodos

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