prÁctica pd1 caracterÍsticas de voltaje contra...

eLab, Laboratorio Remoto de Electrónica

ITESM, Depto. de Ingeniería Eléctrica

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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

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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


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) 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


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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)


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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. 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)


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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.


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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?

_____________________________________________________________________________

_________________________________________________________


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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


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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


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)


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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






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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





ID7=1 mA

Diodo 2 rd= rd= rd=






VTh del diodo.


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Para el presente diodo, a continuación, 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





ID7=1 mA

Diodo 3 rd = rd = rd =






VTh del diodo.

Para el presente diodo, a continuación, 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 ¿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

prÁctica pd1 caracterÍsticas de voltaje contra...

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