1. Servicio Nacional de Aprendizaje
DIODO DE JUNTURA
Modelo de la
Mejora Continua
CARACTERÍSTICAS DEL DIODO DE JUNTURA
1.0 OBJETIVOS
Una vez completado este módulo, usted debe estar capacitado para:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Dibujar el símbolo utilizado para representar diodos y marcar el ánodo y el cátodo.
Recordar de qué manera el diodo es polarizado de forma directa.
Bosquejar el diodo ideal en un circuito que produce polarización directa.
Bosquejar el circuito resistivo equivalente de un diodo real.
Recordar de qué manera el diodo es polarizado en forma inversa.
Bosquejar el diodo ideal en un circuito que produce polarizaci6n inversa.
Recordar cómo se obtiene la curva característica de un diodo (V- I).
Recordar cómo se obtiene la resistencia óhmica de un diodo.
Recordar el modelo de un diodo que usa la resistencia dinámica.
2.0 EXPLICACION
Los diodos semiconductores se usan en prácticamente todos los equipos electrónicos que se hallan en
el hogar, el comercio y la industria. Uno de los usos primarios de los diodos consiste en cambiar AC a
CC. Los diodos son representados por el símbolo de la Figura 1a, y vienen en una variedad de formas,
como las mostradas en la Figura 1b.
Figura 1a. Símbolo del diodo
Figura 1b. Formas típicas de los diodos (Package)
Figura 1c. Diodo de juntura PN
Los materiales semiconductores utilizados para fabricar diodos son germanio o silicio. La mayoría de los
diodos en uso son de silicio. El diagrama de la Figura 1c muestra que un diodo esta compuesto por dos
partes, separadas por una JUNTURA (también denominada BARRERA o UNIÓN). Los extremos están
fabricados de:
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a. Germanio o silicio tipo P
b. Germanio o silicio tipo N
El silicio utilizado para fabricar diodos se presenta en forma cristalina, creado artificialmente en un
laboratorio. Para hacer un material tipo N, dentro del cristal se introduce una impureza que tiene un
electrón de valencia más que el silicio. Este proceso de agregar impurezas es denominado
IMPURIFICACION. Las impurezas agregan electrones extra, denominados PORTADORES, como se
muestra en la Figura 2.
Figura 2. Juntura o Unión PN
El otro extremo del cristal es un material tipo P, producido mediante la impurificación con una impureza
que tiene un electrón de valencia menos que el silicio. Los portadores en los materiales tipo P aparecen
como cargas positivas, denominadas HUECOS. En un rnatetia1 semiconductor el hueco es producido
por la ausencia de un e1ectrón.
En la juntura entre materiales tipo P y N existe una barrera, que es el resultado de la migración de las
cargas a través de la juntura y sus recombinaciones. Las cargas que cruzan la juntura o que se
combinan con cargas opuestas, dejan atrás suyo iones que forman la barrera. Esta barrera es de unos
0.3 voltios para el germanio y de 0.6 voltios para el silicio. La región cerca de la barrera es denominada
REGION DE DEPLECCIÓN (también llamada “región de agotamiento” o “región de transición”), debido
a la ausencia de portadores.
POLARIZACION DIRECTA
En la Figura 3a el diodo esta conectado en polarizaci6n directa, y la corriente circula a través del diodo.
Note que la dirección de la corriente convencional es en el sentido de la flecha. Recuerde que las cargas
iguales se repelen en circuitos eléctricos, y que por lo tanto, el terminal negativo de la batería en la
Figura 3b repele los portadores de cargas negativas en el mateia1 tipo N, y ellos se mueven a través de
la batería hacia el terminal positivo de la batería. Los huecos son repelidos por el terminal positivo de la
batería, y también se mueven a través de la batería. Si la tensión de la batería es menor que la tensión
de la barrera, a tras de la juntura pasarán muy pocos portadores.
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Figura 3a
Polarización Directa
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Figura 3b
Portadores que cruzan la barrera
DIODO IDEAL
El diodo ideal, aunque por su misma definición es inexistente, es muy útil para explicar cómo operan los
diodos en los circuitos. Cuando el diodo ideal tiene polarización directa, actúa como un
CORTOCIRCUITO con una resistencia de 0 ohmios, como se muestra en la Figura 4a.
Debido a que un interruptor cerrado tiene también una resistencia de 0 ohmios, el diodo ideal que tiene
polarización directa puede ser representado por un interruptor cerrado, como se muestra en la Figura
4b.
La resistencia DIRECTA de los diodos IDEALES siempre tiene un valor de CERO ohmios.
Figura 4a
Cortocircuito
Figura 4b
Interruptor Cerrado
POLARIZACION INVERSA
Si se invierte la batería como se muestra en la Figura 5b, el diodo está INVERSAMENTE POLARIZADO.
El diagrama de la Figura 5b muestra que el terminal negativo de la batería esta conectado al material
tipo P, que tiene los portadores positivos. Estos huecos (o portadores positivos) serán atraídos hacia el
terminal negativo de la batería, alejado de la barrera. De manera similar, el terminal positivo de la batería
atraerá los electrones alejándolos de la barrera.
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Figura 5a
Polarización Inversa
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Figura 5b
La polarizaci6n inversa produce una región grande
de deplección
A cada lado de la barrera se produce una región de deplección muy grande, que no tiene portadores.
Para que la corriente pueda fluir en cualquier circuito, debén haber presentes portadores. El diodo actúa
como un resistor con resistencia de muy alto valor.
DIODO IDEAL CON POLARIZACION INVERSA
Los materiales que no tienen portadores tienen una resistencia muy alta. El diodo ideal con polarizaci6n
inversa tiene una resistencia infinita y actúa como un circuito abierto, como se muestra en la Figura 6a.
Figura 6a:
Circuito abierto
Figura 6b:
Interruptor abierto
Debido a que un interruptor abierto tiene resistencia infinita, el diodo ideal con polarización inversa
puede ser considerado como un interruptor abierto, como se muestra en la Figura 6b. La corriente
inversa, representada por IR, es igual a cero para un diodo ideal.
DIODOS REALES
Hemos incluido el diodo ideal porque es muy útil durante la explicación de la operación de los circuitos.
Por supuesto, usted también debe saber cómo difieren los diodos reales de los diodos ideales, para
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poder analizar y localizar fallas en los circuitos. El diodo real de la Figura 7a actúa como el resistor
mostrado en la Figura 7b.
Figura 7a:
Polarizaci6n directa
Figura 7b:
Modelo de resistor
La resistencia se denomina “resistencia directa”, y se representa por el símbolo RF. El valor de la
resistencia directa puede ser calculado por medio de la ley de Ohm.
RF =
VF
IF
El valor de la resistencia directa no es un valor crítico, sino que posee una amplia gama de valores.
Cuando la tensión directa es muy pequeña, la resistencia directa es muy alta. Cuando la tensión directa
es mayor que la gama de tensiones operativas normales de los diodos, la resistencia directa es menor
que 100 ohmios. Se utiliza una curva característica para mostrar la relación entre corriente y tensión
directas.
CURVA CARACTERISTICA DE UN DIODO REAL
Para obtener una curva característica, el diodo es conectado en el circuito de prueba mostrado en la
Figura 8a. La corriente es medida con el amperímetro, cuando es aumentado el valor de la fuente de
tensión. También se mide la tensión directa a través del diodo. Estos valores son graficados, y se
obtiene la curva característica mostrada en la Figura 8b.
FIGURA 8a:
Circuito de prueba
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FIGURA 8b:
Curva característica
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En cualquier punto de la curva puede calcularse el valor de la resistencia directa RF. En el punto A de la
curva el valor es:
RF =
VF
0.8V
=
= 20Ω
IF
0.04A
En el punto A de la curva característica, el valor de la resistencia directa es diferente.
También se grafican en el tercer cuadrante los valores de la tensión y la corriente para el diodo de
polarización inversa. Para un diodo ideal la corriente inversa es de cero amperios, pero para un diodo
real siempre hay una pequeña cantidad de corriente inversa. La corriente inversa circula porque la
resistencia inversa tiene un valor alto, pero nunca tiene la resistencia infinita de un diodo ideal. A veces la
corriente inversa se denomina CORRIENTE DE FUGA (o “corriente de escape” o “corriente de perdida”),
porque no es deseada en circuitos de diodos.
MODELOS PARA DIODOS DE POLARIZACION DIRECTA
En muchas aplicaciones, los diodos son operados con polarización directa en la región mostrada en la
curva característica de la Figura 9a. La resistencia del diodo es hallada por medio de la pendiente de la
línea dibujada a través del punto operacional, como se muestra en la Figura 9b. Esto es denominado
RESISTENCIA DINAMICA, que es igual a la pendiente de la línea, y se calcula a partir de la ecuación:
Resistencia dinámica =
ΔVF
Cambio en tensión directa
=
Cambio en corriente directa
ΔI F
FIGURA 9a:
Región operacional
de un diodo real
FIGURA 9b:
La pendiente es la resistencia
dinmica
Figura 9c: Modelo para polarizaci6n directa
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La línea toca el eje horizontal en un valor de la tensión que es aproximadamente igual a la tensión de
barrera de 0,6 voltios para el silicio y 0,3 voltios para el germanio. A partir de este grafico puede
obtenerse otro modelo del diodo. El diodo puede ser representado por la resistencia dinámica Rd en
serie con una fuente de tensión que es igual a la tensión de barrera y con un diodo ideal, corno se
muestra en la Figura 9c. El análisis del circuito se efectúa en dos pasos.
Paso 1: La fuente de tensión Vs es menor que la tensión de barrera Vd. La corriente no puede circular
por el circuito porque el diodo ideal tiene polarización inversa causada por la tensión de
barrera.
Paso 2: La fuente de tensión Vs es mayor que la tensión de barrera Vd. El diodo ideal tiene polarización
directa, y actúa como un cortocircuito. La fuente de tensión que produce la corriente en el
circuito es la diferencia entre Vs y Vd. La resistencia en el circuito es la resistencia dinámica y la
resistencia de carga. La corriente en este circuito puede ser calculada para cualquier valor de
fuente de tensión, a partir de:
IF =
VS - VD
Rd + RL
Los diodos pueden ser representados como diodos reales por el modelo del diodo ideal o por el modelo
de diodo que utiliza la resistencia dinámica. Usted debe seleccionar el modelo que mejor se adapte a su
aplicación.
MODELO PARA DIODOS DE POLARIZACION INVERSA
El diodo ideal de polarización inversa posee el circuito equivalente mostrado en la Figura l0a. El hecho
de actuar como un interruptor abierto significa que la corriente inversa es cero. Los diodos reales
poseen una cantidad muy pequeña de corriente inversa, la cual es denominada “corriente de fuga”, tal
como se muestra en la curva característica del diodo real de la Figura 10b. Los diodos de polarización
inversa pueden ser representados por el modelo de la Figura 10c.
FIGURA l0a:
Diodo ideal con polarizaci6n
inversa
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FIGURA 10b:
Curva característica del diodo
real
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FIGURA 10c:
Modelo para polarización inversa
El diodo es representado por un diodo ideal con un resistor que tiene un valor alto, conectado en
paralelo. El diodo ideal no conducirá, pero la corriente inversa circulara a través del resistor en paralelo.
Aproximaciones del Diodo
Diodo Ideal.
Aproximemos el funcionamiento del diodo. ¿Qué hace el diodo? Conduce bien en polarización directa y
mal en la inversa. En esencia el diodo ideal actúa exactamente igual a un conductor perfecto (cero caída
de voltaje), cuando se encuentra polarizado directamente y como un aislador perfecto (cero corriente)
cuando está polarizado inversamente, como se muestra la figura 11a.
En términos de circuitos, un diodo ideal actúa como un interruptor. Cuando el diodo está polarizado
directamente, es un interruptor cerrado, (figura 11b). Si el diodo está polarizado inversamente, es como
un interruptor abierto.
Aun cuando esta aproximación del diodo ideal parezca exagerada, esto es un buen principio para saber
cómo operan los circuitos con diodos; no deben preocupar los efectos del voltaje de compensación ni
la resistencia interna. Habrá ocasiones en que la aproximación ideal será demasiado inexacta; por esta
razón se necesita una segunda y una tercera aproximación.
Figura 11
a) Diodo Ideal. b) Un interruptor es equivalente a un diodo
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Segunda aproximación.
Se necesita alrededor de 0,7V para que el diodo de silicio realmente sea un buen conductor. Cuando el
voltaje de la fuente es grande, no tiene importancia los 0,7V mencionados, por ser tan pequeños; pero
cuando el voltaje de la fuente no es tan grande, se hace necesario tomar en consideración el voltaje de
codo.
La figura 12a muestra la gráfica para la segunda aproximación. Ésta indica que no hay flujo de corriente
hasta que aparecen los 0,7V aplicados al diodo. En este momento el diodo conduce, sin importar la
magnitud de la corriente directa; se supone que el voltaje de diodo es de 0,7V para el silicio y 0,2V para
el germanio.
La figura 12b es el circuito equivalente para la segunda aproximación. La idea es pensar que el diodo
es un interruptor en serie con una batería de de 0,7V; si el voltaje de la fuente es mayor que 0,7V, el
interruptor se cierra y el voltaje del diodo es 0,7V. Si el voltaje de la fuente es menor de 0.7V, o si el
voltaje es negativo, el interruptor se abre.
Figura 12
a) Segunda aproximación. b) El interruptor y la batería forman el circuito equivalente
Tercera aproximación.
En la tercera aproximación del diodo se incluye la resistencia macroscópica Rd. Como se dijo
anteriormente, el diodo conduce al tener 0,7V. Un voltaje adicional aparece aplicado a la resistencia Rd,
de tal manera que el voltaje total del diodo es mayor a 0,7V. La figura 13a muestra los efectos de Rd;
después que el diodo de silicio conduce, la corriente produce un voltaje a través de Rd. Cuánto mayor
sea la corriente, mayor será el voltaje. El voltaje aumenta linealmente conforme aumenta la corriente,
debido a que Rd es lineal.
El circuito equivalente de tercera aproximación es un interruptor en serie con una batería de 0,7V y una
resistencia Rd (figura 13b). Después que el circuito externo ha superado el potencial de barrera, la
corriente del diodo produce una caída de tensión IR en la resistencia Rd. Por tanto el voltaje total en el
diodo de silicio es:
VF = 0,7 + I F × R d
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Figura 13
a) Tercera aproximación. b) Circuito equivalente
Cual modelo seleccionar?
En la mayoría de los casos prácticos, la segunda aproximación es la mejor elección; a menos que se
indique lo contrario.
Ejemplo:
El diodo 1N4001 tiene una resistencia interna de 0,23Ω. Calcular la corriente que circula por la carga, y
la potencia del diodo, empleando los tres modelos.
Figura 14.
Modelo 1: Diodo ideal conduce si la esta polarizado en directa
IL =
VF
10V
=
= 1A
RL
10Ω
Potencia del Diodo
PD = ID × VD
PD = 1A×0V
= 0W
Modelo 2: Diodo conduce si la fuente es mayor a 0,7V. Se aplica la ley de tensiones de Kirchoff; el
diodo se reemplaza por una batería de 0,7V
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-VF + VD + VR = 0
-VF + VD + I L ×R L = 0
Despejando IL tenemos:
VF -VD
10V - 0,7V
=
RL
10Ω
= 930mA
IL =
PD = 930mA×0,7V
= 0,651W
Modelo 3: El diodo conduce si la fuente es mayor a 0,7V. Se aplica la ley de tensiones de Kirchoff; el
diodo se reemplaza por una batería de 0,7V y una resistencia de 0,23Ω
-VF + VD + VRL + VRD = 0
-VF + VD + I×R L + I×R D = 0
Despejando I tenemos:
VF - VD
10V - 0,7V
=
RL + RD
10Ω + 0,23Ω
 909.1mA
I=
PD = ID × VF
= I D × (0,7V + VRD )
PD = 909.1mA×(0,7V+909mA  0,23)
= 0,8264W
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TALLER 1
1. Un diodo tiene una resistencia en serie de 4.7K (Figura 1), Cual es la corriente del diodo si Vs
= 15V?
Obtenga la corriente con los tres modelos del diodo. Asuma que rb es de 2Ω.
Figura 1.
2. Si el voltaje en un diodo es de 0.65V y la corriente que circula por él es de 50mA. Cual es la
potencia que disipa?
3.
Dos diodos Conectados en serie (D1 y D2), tiene una caída de voltaje de 0.5V y 0.8V
respectivamente, y la corriente por el primero es de 50mA. Cual es la potencia de cada uno?
4.
Si la resistencia en serie del circuito anterior es de 5.1K. Cual es el voltaje de la fuente?.
Calcular la potencia entregada por la fuente.
5. Para el siguiente circuito, calcular la corriente I si Vd1 = 0.6V y Vd2 = 0.65.
Calcular la potencia de cada uno de los elemento del circuito.
Figura 2.
6. Graficar el voltaje de salida en función del voltaje de entrada para el circuito de la figura 3. La
fuente de DC es variable de 0 a 15V.
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13. Servicio Nacional de Aprendizaje
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D1 =
D2 =
D3 =
0.6V
0.7V
0.45V
Figura 3.
7. Para el ejemplo anterior grafique la corriente por los diodos en función del voltaje de entrada.
8. Calcular el porcentaje de error en el cálculo de la corriente del siguiente circuito, si se desprecia
la caída de voltaje en los diodos.
Figura 4.
9. Calcular la resistencia que limita la corriente por un diodo LED en 20mA, si la fuente de voltaje
es de: 5V, 12V, 15V y 24V. Asuma una caída de voltaje en el LED es 1.5V.
10. De la figura 5. Cual es la corriente por el circuito?. Cual es el voltaje V1?. Los diodos LED tienen
una caída de voltaje de 1.7V.
Figura 5.
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14. Servicio Nacional de Aprendizaje
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Modelo de la
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11. El circuito de la siguiente figura registra un voltaje en el diodo de 5V. El diodo se encuentra
abierto o en corto.
Figura 6.
12. Si por alguna razón la resistencia del circuito anterior se pone en corto circuito.
Cual es el voltaje del diodo y que le sucede?
13. Si el voltaje del diodo es de 0V, (Ejercicio 11) y el voltaje de la fuente es de 5V. Cual o cuales
son las posibles fallas?
14. Analizar como esta polarizado cada diodo (inverso o directo), si esta con polarización inversa,
abrir el circuito; si esta con polarización directa, reemplazarlo por una fuente de 0.3V o 0.7V si es
de Ge o Si respectivamente. Calcular las corrientes (I) en cada rama de circuito. (Todas las
resistencia son de 1kΩ y los diodos son de silicio).
Figura 7
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Figura 8
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15. Servicio Nacional de Aprendizaje
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Modelo de la
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15. Cual o cuales son las posibles fallas del siguiente circuito? Realiza un análisis por mallas y
obtenga I1 e I2 con el circuito funcionando correctamente.
Figura 9.
Bibliografía:
Práctica de Laboratorio EB2000 EB-111 Degem.
Principios de electrónica. Sexta Edición. Malvino Albert Paul. McGraw-Hill
Materiales de apoyo laboratorio EB2000B. Instructor Ricardo Jaime Murillo.
Desarrollado por:
Andrey Julián Rentería Scarpetta.
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