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Física de Dispositivos Semiconductores

Manual de Prácticas

Práctica 2: Caracterización del Diodo de Unión PN
1. OBJETIVOS
Medir y familiarizarse con la característica corriente-voltaje (I-V) del diodo. Conocer el modelo SPICE del diodo y comprender el significado de sus parámetros. Extraer algunos parámetros del modelo SPICE del diodo utilizando los datos de la caracterización I-Vrealizada experimentalmente.

2. MATERIAL PARA LA PRÁCTICA
Dispositivos: Diodo de pequeña señal: 1N4148 x 1 Resistores: 330Ω x 1, 820Ω x 1 (5%, 1W), 2kΩ x 1, 3.3kΩ x 1, 8.2kΩ x 1, 20kΩ x 1, 33kΩ x 1, 82kΩ x 1, 200kΩ x 1, 330kΩ x 1, 820kΩ x 1, 2MΩ x 1 (5%, ½W) Equipo de laboratorio: Fuente de alimentación variable Instek GPR-3030. Multímetro Digital (DMM) FLUKE-112. Tarjeta de experimentación(Protoboard).

3. MARCO TEÓRICO
Operación física del diodo de unión Como se observa en la figura 1-1, el diodo semiconductor consiste de una unión formada por el contacto entre una región semiconductora tipo-p y una región tipo-n. La terminal conectada a la región tipo-p es llamada ánodo, mientras que la terminal conectada a la región tipo-n es llamada cátodo. La figura 1-1 muestra también el símbolodel diodo utilizado en diagramas esquemáticos

ID
Ánodo P N Cátodo

+

VD

-

Figura 1-1 Diodo semiconductor: estructura física y símbolo de circuito.

-1-

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Cuando a la terminal del ánodo se aplica un potencial mayor que al cátodo, el diodo opera en la región de polarización directa. En dicha región de operación, lacorriente fluye a través del diodo de ánodo a cátodo. En polarización directa, la corriente del diodo (ID) depende del voltaje aplicado al diodo (VD) de acuerdo a la siguiente expresión:
VD VD  nV  nVT T I D = I S  e − 1 ≅ I S e    

(1)

En la ecuación (1), IS es la llamada corriente de saturación inversa, la cual es una constante que depende de la geometría y del material con el cualestá compuesto el dispositivo. La constante n es llamada el coeficiente de emisión cuyo valor se encuentra entre 1 y 2. VT es el voltaje térmico, dado por la ecuación:
VT = kT q

(2)

En la ecuación (2), k es la constante de Boltzmann (k = 1.381 x 10-23 VC/K), T es la temperatura absoluta en grados Kelvin y q es la carga del electrón (q = 1.6 x 10-19 C). El valor de VT es de aproximadamente26mV a temperatura ambiente (300K o 27°C). Cuando el ánodo tiene aplicado un potencial menor que el del cátodo, el diodo opera en la región de polarización inversa. En esta región de operación, el diodo conduce una corriente inversa IR de cátodo a ánodo, cuyo valor es de varios órdenes de magnitud más alto que el de IS. Sin embargo, la corriente IR sigue siendo de magnitud muy pequeña, despreciableen la mayoría de los casos. Si el voltaje inverso se eleva a valores lo suficientemente altos, la operación del diodo alcanza la región de ruptura, en la cual la corriente de conducción inversa crece en magnitud a valores sustancialmente más grandes que IR. El diodo opera en esta región cuando el voltaje inverso alcanza el valor del voltaje de ruptura (VBR o VZ) del diodo. La figura 1-2 muestra lacaracterística I-V de un diodo de unión típico.

Figura 1-2 Característica IV de un diodo de unión.

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Dependencia en la temperatura

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Es importante observar que en la ecuación (1), tanto el valor de IS como el de VT depende de la temperatura. En consecuencia, la corriente del diodo es sensible a la temperatura deoperación. Como lo muestra la ecuación (2), el voltaje térmico es directamente proporcional a la temperatura. Por otro lado, la corriente de saturación inversa se incrementa aproximadamente 7.2% por cada grado centígrado. La ecuación que expresa el valor de IS como una función de la temperatura es:
I S (T2 ) = I S (T1 )e [ks (T2 −T1 )]

(3)

donde ks = 0.072 °C-1 y T1 y T2 son dos temperaturas...