Cómo leer la curva I–V de un diodo

Qué muestra la curva

El eje horizontal es la tensión en el diodo y el eje vertical es la corriente que circula por él. Una tensión positiva significa polarización directa (ánodo más positivo que el cátodo) y una tensión negativa significa polarización inversa.

A diferencia de una resistencia, cuya gráfica I–V es una recta que pasa por el origen, la curva de un diodo es fuertemente no lineal. Resulta más fácil leerla en tres zonas: la región directa a la derecha, la región inversa a la izquierda y la región de ruptura muy a la izquierda. El punto en que la corriente directa empieza a crecer de forma apreciable se llama codo.

Para seguir la explicación, abra el simulador de diodo PN. Su dispositivo predeterminado es el preset 1N4148, con I_s = 4 nA, n = 1,9, una corriente nominal de 0,2 A y una tensión inversa nominal de 100 V, y la tensión aplicada inicial es de 0,7 V.

La ecuación de Shockley

La ecuación ideal del diodo, que lleva el nombre de William Shockley, es I = I_s × (e^(V/(n × V_T)) − 1).

• I_s es la corriente de saturación, la diminuta corriente inversa de una unión ideal. En el preset 1N4148 es de 4 nA.
• n es el factor de idealidad, de entre 1 y 2 aproximadamente en las uniones reales. El preset usa 1,9.
• V_T es la tensión térmica, kT/q, de unos 25,85 mV a temperatura ambiente, el valor que usa Curvo Studio.
• V es la tensión en la unión.

Conviene recordar dos límites. Para una V negativa de unos pocos V_T o más, la exponencial desaparece e I ≈ −I_s. Para una V positiva superior a unos 0,1 V, el −1 puede despreciarse e I ≈ I_s × e^(V/(n × V_T)), de modo que la corriente crece exponencialmente con la tensión.

La región directa y la tensión de codo

En la región directa la corriente crece en un factor constante por cada incremento igual de tensión. Con el preset 1N4148, la ecuación de Shockley da aproximadamente 0,11 mA a 0,5 V, 0,81 mA a 0,6 V, 6,2 mA a 0,7 V y 47 mA a 0,8 V. Cada 0,1 V adicionales multiplican la corriente por cerca de 7,7.

El mismo hecho puede expresarse por década: la tensión necesaria para multiplicar por diez la corriente es n × V_T × ln(10), que es de unos 113 mV para n = 1,9.

Como la exponencial es suave, no existe un único codo exacto. Los libros de texto lo definen por convención, normalmente como la tensión a la que el diodo conduce una corriente apreciable. Para este preset la corriente alcanza 1 mA a unos 0,61 V y 10 mA a unos 0,72 V. Por eso se dice que los diodos de silicio tienen una caída de aproximadamente 0,6 a 0,7 V cuando conducen. Los diodos Schottky y otros tipos tienen un codo más bajo, y el valor exacto depende de I_s, de n, de la corriente y de la temperatura.

La consecuencia práctica es que un diodo en conducción directa mantiene su tensión casi constante mientras la corriente cambia mucho, así que otro elemento del circuito, normalmente una resistencia, debe limitar la corriente.

Fuga inversa

En polarización inversa, la ecuación da una corriente de aproximadamente −I_s, independiente de la tensión. En el preset es de −4 nA, muchos órdenes de magnitud por debajo de las corrientes directas anteriores, por lo que el diodo se comporta casi como un circuito abierto.

Los diodos reales presentan más fuga de la que predice la ecuación ideal, y la fuga aumenta con fuerza con la temperatura. Curvo Studio mantiene la versión sencilla, un −I_s constante en la región inversa, para que se vea la idea sin esos efectos adicionales.

Ruptura

Si la tensión inversa crece lo suficiente, el diodo entra en ruptura y la corriente inversa aumenta bruscamente. Los diodos rectificadores y de señal ordinarios no están pensados para funcionar ahí, y la tensión inversa nominal es un límite que no se debe superar.

En el simulador la tensión de ruptura es un parámetro, de 100 V en el preset 1N4148. Justo a esa tensión el modelo da −8 mA, el 4 % de la corriente nominal, y más allá la corriente inversa aumenta rápidamente, por ejemplo hasta unos −108 mA a 104 V. La corriente mostrada se limita a 1,5 veces la corriente nominal, y el dispositivo se marca como sobrecargado cuando la corriente supera los 0,2 A nominales.

La forma es la de un modelo didáctico: una regla definida por tramos, no un cálculo físico de avalancha o de efecto Zener. Los diodos Zener están diseñados para funcionar en esta región, que es el tema de la guía del regulador Zener.

Pruébelo en el simulador

Abra el simulador de diodo PN, elija el preset 1N4148 y barra la tensión aplicada.

• Fije 0,5, 0,6, 0,7 y 0,8 V y anote la corriente en cada caso. Debería ver aproximadamente 0,11 mA, 0,81 mA, 6,2 mA y 47 mA.
• Fije una tensión negativa como −10 V. La corriente se mantiene en torno a −4 nA.
• Fije −100 V o menos para ver la región de ruptura.
• Cambie al preset 1N4001 (I_s = 5 nA, n = 2, 1 A, 50 V) y compare a partir de qué tensión su corriente directa se hace apreciable.

Estos valores proceden de las mismas ecuaciones descritas más arriba, así que también puede calcularlos a mano y comprobar el resultado.