pd1 curvas caracteristicas diodos
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PD1 Curvas Carecteristicas de DiodosTRANSCRIPT
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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
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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
Direccin de la corriente
Carga
-- +
Diodo como
interruptor cerrado
Fuente de
voltaje
I
V
Direccin de la corriente
CargaCarga
-- +
Diodo como
interruptor cerrado
Fuente de
voltaje
I
V
Direccin de la corriente
(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
Resistencia promedio
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
a) Construya punto por punto, de acuerdo al procedimiento descrito anteriormente, la curva
caracterstica de voltaje contra corriente del diodo 2. En el siguiente recuadro inserte la curva
caracterstica obtenida.
(Agregue aqu la curva caracterstica correspondiente al diodo 2)
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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
Resistencia promedio
Con ID7=1 mA y
mA5.0 DI
86
86
DDd
d
AVII
VV
I
Vr
Diodo 2 rAV = rAV = rAV =
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 2 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.
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Para el presente diodo, a continuacin, anote el valor del 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)
IV) Diodo Semiconductor 3
a) Construya punto por punto, de acuerdo al procedimiento descrito anteriormente, la curva
caracterstica de voltaje contra corriente del diodo 3. 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.
(Agregue aqu la curva caracterstica correspondiente al diodo 3)
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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
Resistencia promedio
Con ID7=1 mA y
mA5.0 DI
86
86
DDd
d
AVII
VV
I
Vr
Diodo 3 rAV = rAV = rAV =
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 3 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 del 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)
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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