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eLab, Laboratorio Remoto de Electrónica
ITESM, Depto. de Ingeniería Eléctrica
- 1 -
PRÁCTICA PD1
CARACTERÍSTICAS DE VOLTAJE CONTRA CORRIENTE DE
DIODOS SEMICONDUCTORES
OBJETIVOS
Determinar teóricamente y de manera experimental los parámetros de funcionamiento de
diferentes tipos de diodos semiconductores y graficar sus curvas características de voltaje contra
corriente.
Conocer e interpretar los parámetros de funcionamiento que los fabricantes de diodos
semiconductores presentan en sus hojas de especificaciones.
1.1 INTRODUCCIÓN
Principio de funcionamiento del Diodo Semiconductor
El diodo es un dispositivo que permite el flujo de corriente en una sola dirección. Su
funcionamiento puede ser comparado al de una válvula de agua de las llamadas válvulas "check".
Observe en la Figura 1.1(a) como la presión de agua es aplicada en el extremo derecho de dicha válvula
de tal forma que provoca que esta se abra, permitiendo el flujo de agua en una dirección (en este caso
de izquierda a derecha). Por otro lado, en la Figura 1.1(b), se observa como la presión de agua es
aplicada en dirección opuesta, lo que mantiene la válvula cerrada evitando el flujo de agua.
Esta analogía sirve para explicar el funcionamiento de un diodo, ya que idealmente el diodo se
comporta como una válvula electrónica. 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 dirección. Este estado también es llamado
de “polarización directa”. Se dice que el diodo se encuentra polarizado directamente cuando aplicamos
un voltaje positivo de ánodo con respecto al cátodo. En la Figura 1.2 (a) y (b), se observa como el
comportamiento del diodo es similar al de un interruptor cerrado permitiendo la circulación de
corriente.
(a) Válvula abierta (b) Válvula cerrada
Figura 1.1 En estas figuras se compara el funcionamiento de un diodo con el de una válvula de agua tipo “check.
Flujo de agua
Presión
Válvula abierta
Válvula cerrada
Presión
PD1 - Características V-I de Diodos
- 2 -
Estado 2. El diodo bloquea el flujo de la corriente en sentido inverso. Este estado también es llamado
de “polarización inversa”. Se dice que el diodo se encuentra polarizado inversamente cuando aplicamos
un voltaje negativo de ánodo con respecto al cátodo. 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 comparación
con el circuito de la Figura 1.2(a).
(a) (b)
Figura 1.2 a) Representación de un circuito con diodo en polarización directa. b) Circuito equivalente simplificado
Carga
-- +
Diodo
1N4007
Fuente de
voltaje
I
V
Dirección de la corriente
CargaCarga
-- +
Diodo
1N4007
Fuente de
voltaje
I
V
Dirección de la corriente
Carga
-- +
Diodo como
interruptor cerrado
Fuente de
voltaje
I
V
Dirección de la corriente
CargaCarga
-- +
Diodo como
interruptor cerrado
Fuente de
voltaje
I
V
Dirección de la corriente
(a) (b)
Figura 1.3 a) Representación de un circuito con diodo en polarización 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
PD1 - Características V-I de Diodos
- 3 -
Construcción y símbolo 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
básica de un diodo. La terminal conectada a la región N es llamada cátodo (K), y la terminal conectada
a la región P, se conoce como ánodo (A). Por otro lado, en la Figura 1.4(b) se ilustra el símbolo
eléctrico usado para representar el diodo.
Bibliografía
Libro de Texto:
Microelectronics; Circuit Analysis and Design (Chapter 1)
Donal A. Neamen, McGraw Hill, 3rd
Edition, 2007
Libros de Consulta:
Electronic Devices (Chapter 1)
Thomas L. Floyd, Prentice Hall, 6th
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, 7th
Edition, 2006
(a) (b)
Figura 1.4 a) Estructura básica de un diodo b) Símbolo eléctrico
Ánodo
(A)
Cátodo
(K)
PD1 - Características V-I de Diodos
- 4 -
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. Hágalo de manera ordenada y clara. En el reporte agregue en el espacio asignado gráficas
comparativas, análisis de circuitos, simulaciones en computadora, ecuaciones, referencias
bibliográficas, ejemplos, aplicaciones, según sea el caso.
No olvide colocar una portada con sus datos de identificación así como los datos relacionados
con la práctica en cuestión, como número de práctica, 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 analogía diferente a la de la válvula “check” describa con sus propias palabras el
funcionamiento ideal de un diodo.
_____________________________________________________________________________
____________________________________________________________
Dibuje el símbolo eléctrico del diodo y especifique las terminales de ánodo y cátodo. Dibuje
también la estructura interna de las capas de semiconductor de un diodo e identifique sus
terminales.
Realice una comparación entre las características de voltaje contra corriente real de un diodo y
su característica ideal.
_____________________________________________________________________________
____________________________________________________________
Defina el Voltaje de Directa (Forward Voltage) VF y Voltaje de Ruptura VBR. ¿Qué papel
desempeñan en el comportamiento de un diodo?
_____________________________________________________________________________
____________________________________________________________
(Agregue aquí los dibujos correspondientes)
PD1 - Características V-I de Diodos
- 5 -
Investigue el concepto de resistencia de CA o dinámica aplicada a un diodo. Proporcione una
explicación para este concepto.
_____________________________________________________________________________
____________________________________________________________
Demuestre matemáticamente que la resistencia dinámica de un diodo también 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 operación específico y VT es el
Voltaje Térmico. ¿Para que regiones de la curva característica es válida esta ecuación?
_____________________________________________________________________________
____________________________________________________________
Explique el significado de Voltaje Térmico VT (aplicado a un diodo semiconductor). Determine
también la ecuación 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
utilización del dispositivo. Estas incluyen gráficas, tablas, identificación de terminales, materiales
utilizados en la construcción del dispositivo, temperaturas de operación, corrientes máximas
permitidas, dimensiones, recomendaciones generales, etc..
A continuación se presenta una lista con los datos más importantes que deben conocerse para una
correcta utilización de un diodo. Se pide que comprendas el significado de cada uno de ellos.
1. Tipo de diodo
2. El voltaje de conducción en directa VF (a una corriente y temperatura específicas)
3. La corriente directa máxima IF (a una temperatura específica)
4. La corriente de saturación inversa IR (a un voltaje y temperatura específicos)
5. El voltaje de ruptura VBR (breakdown) (a una temperatura especificada)
6. La capacidad máxima de disipación de potencia a una temperatura en particular
7. El tiempo de recuperación inverso trr
8. El rango de temperatura de operación
Otros datos adicionales que dependen del tipo de diodo que se trate son: rango de frecuencia,
características ópticas, el nivel de ruido, el tiempo de conmutación, los niveles de resistencia
térmica 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 parámetros.
PD1 - Características V-I de Diodos
- 6 -
IV) Tomando en cuenta la información 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 parámetros que se especifican en
ella. Considere los parámetros a temperatura ambiente (25°C).
Parámetro 1N4001 1N5818 HLMP-M200
Voltaje de directa (VF)
Para una IF=200mA
Para una IF=100mA
Para una IF=40mA
Corriente directa máxima
(IF) promedio o continua
Corriente directa (IF) pico
no repetitiva
Voltaje de ruptura (VBR)
Corriente de saturación
inversa IR a voltaje inverso
VR máximo
Disipación máxima de
potencia
Rango de temperaturas de
operación
Para los tres modelos de diodos, observe los valores de corriente directa (IF) promedio o
continua y compárelos con los de la corriente directa pico no repetitiva. En relación a estos
valores de corriente ¿Qué puede concluir? Suponga que en cada uno de los diodos mantenemos
constante el valor de la corriente pico durante un tiempo prolongado. ¿Qué efecto tendría esta
acción en el dispositivo?
_____________________________________________________________________________
_________________________________________________________
¿En que afecta la temperatura ambiente a la corriente directa IF del diodo?
_____________________________________________________________________________
_________________________________________________________
PD1 - Características V-I de Diodos
- 7 -
1.3 PROCEDIMIENTO
En esta sección se construirán, de forma experimental, las curvas características de voltaje
contra corriente para tres diferentes modelos de diodos. A partir de ellas se obtendrán varios parámetros
de interés, tales como la resistencia interna del diodo, voltaje de umbral, corriente de saturación
inversa, voltaje térmico, etc. Una vez recolectados los datos para cada modelo de diodo, se pide que a
partir de esta información se identifique el modelo específico de cada uno.
Construcción de la curva característica de voltaje contra corriente. A continuación se describe el
procedimiento para la construcción de la curva característica de voltaje contra corriente de cada diodo.
Para ello se utiliza la interfase gráfica del Laboratorio Remoto de Electrónica (eLab).
Para la construcción de la curva característica de voltaje contra corriente, ajuste el valor de voltaje de la
batería 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 botón “Execute”. Esta acción es la encargada de aplicar el
voltaje seleccionado físicamente 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 característica del diodo.
I) Voltaje Térmico VT
a) Temperatura de operación del diodo. Tome la lectura de la temperatura (en °C) a la cual están
operando los diodos, este dato se puede obtener de la interfase gráfica del Laboratorio Remoto de
Electrónica (eLab).
Temperatura de operación (°C)
b) Voltaje Térmico VT. Con el dato de temperatura obtenido en el inciso anterior calcule el Voltaje
Térmico. Realice los cálculos en el siguiente espacio y anote su resultado.
Figura 1.5 Circuito para la construcción de la curva de voltaje contra corriente
PD1 - Características V-I de Diodos
- 8 -
Voltaje Térmico VT
II) Diodo Semiconductor 1
a) Construya punto por punto, de acuerdo al procedimiento descrito anteriormente, la curva
característica de voltaje contra corriente del diodo 1. En el siguiente recuadro inserte la curva
característica obtenida.
b) Mediciones de voltaje y corriente en diferentes puntos de operación. 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 calculará la resistencia promedio para este diodo en
varios puntos de operación. Utilizando los resultados del inciso anterior, realice los cálculos 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 aquí la curva característica correspondiente al diodo 1)
PD1 - Características V-I de Diodos
- 9 -
d) Cálculo de la resistencia dinámica utilizando la definición. Utilizando la formula
D
T
I
Vdr
calcule la resistencia dinámica para los siguientes casos:
Tipo de diodo Resistencia dinámica
con ID2=8 mA Resistencia dinámica
con ID4=4 mA Resistencia dinámica con
ID7=1 mA
Diodo 1 rd = rd = rd =
e) Voltaje de umbral. Con la curva característica 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 línea recta tangente a la región
de plena conducción del diodo, enseguida, extienda esta línea hasta que ésta cruce el eje horizontal.
Finalmente, el voltaje en el cual la línea recta corta el eje horizontal corresponde al voltaje de umbral
VTh del diodo.
Para el presente diodo, a continuación, anote el valor de voltaje de umbral obtenido:
Voltaje de Umbral del Diodo VTh
f) Corriente de Saturación Inversa. Empleando la ecuación de Shockley que describe la relación
teórica entre el voltaje y la corriente del diodo, utilice los puntos de medición de voltaje y corriente
obtenidos en el inciso (b) del procedimiento y calcule la Corriente de Saturación 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
característica de voltaje contra corriente del diodo 2. En el siguiente recuadro inserte la curva
característica obtenida.
(Agregue aquí la curva característica correspondiente al diodo 2)
PD1 - Características V-I de Diodos
- 10 -
b) Mediciones de voltaje y corriente en diferentes puntos de operación. 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 calculará la resistencia promedio para este diodo en
varios puntos de operación. Utilizando los resultados del inciso anterior, realice los cálculos 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) Cálculo de la resistencia dinámica utilizando la definición. Utilizando la formula
D
T
I
Vdr
calcule la resistencia dinámica para los siguientes casos:
Tipo de diodo Resistencia dinámica
con ID2=8 mA Resistencia dinámica
con ID4=4 mA Resistencia dinámica con
ID7=1 mA
Diodo 2 rd= rd= rd=
e) Voltaje de umbral. Con la curva característica 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 línea recta tangente a la región
de plena conducción del diodo, enseguida, extienda esta línea hasta que ésta cruce el eje horizontal.
Finalmente, el voltaje en el cual la línea recta corta el eje horizontal corresponde al voltaje de umbral
VTh del diodo.
PD1 - Características V-I de Diodos
- 11 -
Para el presente diodo, a continuación, anote el valor del voltaje de umbral obtenido:
Voltaje de Umbral del Diodo VTh
f) Corriente de Saturación Inversa. Empleando la ecuación de Shockley que describe la relación
teórica entre el voltaje y la corriente del diodo, utilice los puntos de medición de voltaje y corriente
obtenidos en el inciso (b) del procedimiento y calcule la Corriente de Saturación 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
característica de voltaje contra corriente del diodo 3. En el siguiente recuadro inserte la curva
característica obtenida.
b) Mediciones de voltaje y corriente en diferentes puntos de operación. 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 calculará la resistencia promedio para este diodo en
varios puntos de operación. Utilizando los resultados del inciso anterior, realice los cálculos respectivos
y llene la siguiente tabla.
(Agregue aquí la curva característica correspondiente al diodo 3)
PD1 - Características V-I de Diodos
- 12 -
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) Cálculo de la resistencia dinámica utilizando la definición. Utilizando la formula
D
T
I
Vdr
calcule la resistencia dinámica para los siguientes casos:
Tipo de diodo Resistencia dinámica
con ID2=8 mA Resistencia dinámica
con ID4=4 mA Resistencia dinámica con
ID7=1 mA
Diodo 3 rd = rd = rd =
e) Voltaje de umbral. Con la curva característica 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 línea recta tangente a la región
de plena conducción del diodo, enseguida, extienda esta línea hasta que ésta cruce el eje horizontal.
Finalmente, el voltaje en el cual la línea recta corta el eje horizontal corresponde al voltaje de umbral
VTh del diodo.
Para el presente diodo, a continuación, anote el valor del voltaje de umbral obtenido:
Voltaje de Umbral del Diodo VTh
f) Corriente de Saturación Inversa. Empleando la ecuación de Shockley que describe la relación
teórica entre el voltaje y la corriente del diodo, utilice los puntos de medición de voltaje y corriente
obtenidos en el inciso (b) del procedimiento y calcule la Corriente de Saturación Inversa IS del diodo.
Corriente de prueba ID Voltaje de prueba V Corriente IS
(10 mA)
(6 mA)
(2 mA)
PD1 - Características V-I de Diodos
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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 ¿qué sucede
con su resistencia promedio a medida que disminuye la corriente que circula por él? Proporcione una
explicación para estos resultados.
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
__________________________________________________________
2) Para cada tipo de diodo, observe los datos obtenidos en el inciso (d) del procedimiento. ¿Qué sucede
con la resistencia dinámica a medida que disminuye el punto de operación? 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 práctica realice una comparación entre sus
voltajes de umbral. Complete la siguiente tabla.
Diodo 1 Diodo 2 Diodo 3
Voltaje de umbral VTh
A continuación, 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