Lecture Electrical Engineering: Lecture 9 - Dr. Nasim Zafar

COMSATS Institute of Information Technology
Virtual campus
Islamabad

Dr. Nasim Zafar
Electronics 1
EEE 231 – BS Electrical Engineering
Fall Semester – 2012


The Diode Circuits:

Lecture No: 9
Contents:
Ø

Introduction.

Ø

The Ideal Diode.

Ø

Dr. Nasim Zafar
2
Terminal Characteristics of Junction Diodes.


References:

Ø Microelectronic Circuits:  
  Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith.

Ø Electronic Devices and Circuit Theory:
  Robert Boylestad & Louis Nashelsky ( Prentice Hall ) 

Ø Electronic Devices :
  Thomas L. Floyd   ( Prentice Hall ) 
Dr. Nasim Zafar

3


Introduction:
Ø The simplest and most  fundamental nonlinear circuit element is the diode. 
Ø Just like a resistor, the diode has two terminals; but unlike the resistor , 

which has a linear (straight­line) relationship between the current flowing 
through it and the voltage appearing across it, the diode has a nonlinear 
i­v characteristic.

Ø Let us discuss an ideal diode in order to understand the essence of the 
diode function. 

Ø We can then study the  real silicon p­n junction diode and explain its 
current­voltage characteristics.
Dr. Nasim Zafar

4

Introduction:
Applications of the Diode:

Ø One of the important application of  a diode is their use in the design of the 
rectifiers, which converts an ac signal into a dc signal. 

Ø We will also briefly discuss some other specialized diodes such as the 
light emitting diodes LED’s and photodiodes.

Dr. Nasim Zafar

5


Diode Equation and Models:

Ø

Ø

In this lecture we will discuss some models for the operation 
and design of the diode to explain diode characteristics.

 We can use these models instead of the diode equation in  
circuit analysis.

Ø

Later on, we will be developing similar models 

(or equivalent circuits) to represent the behaviour of 
transistors when they are used as linear amplifiers.  
Dr. Nasim Zafar

6


Modeling The Diode:
Ø

  The Ideal Diode Model

Ø

  The Exponential Model

Ø

  Load Line Analysis

Ø

  Piecewise­Linear Model


The Diode Models
1.  The Ideal Diode Model

The Diode:      
P­N Junction Diode Schematic Symbol:

Anode

Cathode

p

Dr. Nasim Zafar

n

9


Diode Circuits:
anode
Reversed bias

+
­

+
­

Forward bias

cathode
The left hand diagram shows the reverse biased junction. 

No current flows flows. 
 

The other diagram shows forward biased junction.
A current flows.
Dr. Nasim Zafar

10


Forward­biased diode Circuit:
R

R
I F > 0A

I F > 0A
IF

V

IF

V

+V

-V

R

R
IF

Dr. Nasim Zafar

IF

11


Reverse­biased diode Circuit:
R

R
0A

0A

IT

IT

V

V
+V

-V

R

R

Dr. Nasim Zafar

12


The Ideal Diode Model:
Current­Voltage Characteristic:
The ideal diode  the most fundamental nonlinear circuit element. Useful 
for circuits with more than one diode
IF

Forward
operating
region

II

I

VR

VF
III

IV

Reverse
operating
region

IR
Dr. Nasim Zafar

13


I­V Characteristics of an Ideal Diode
R

Ø

Ø

0

I

V
R

R

I

V
R

0

If the voltage across anode and cathode is greater than zero, the 
resistance of an ideal diode is zero and current becomes infinite.  
However, if the voltage is less than zero, the resistance becomes 
infinite and current is zero.
Dr. Nasim Zafar
14


Effect of VF.

I

VS
5 V

4.3 V

VD1 = 0.7V

R1
1 k

VR1 = VS − VD1 = 5V − 0.7V = 4.3V
VR1 4.3V
I=
=
= 4.3mA

R1 1kΩ
D1

Value

Ideal

Practical

VF

0 V

0.7 V

VR1

5 V

4.3 V

I

5 mA

4.3 mA

Dr. Nasim Zafar

15

Two Modes of Operation: On or Off
Forward Biased Diode:

Ø

If a positive voltage is applied to an ideal diode, zero voltage

    drop appears across the diode and it behaves as a short circuit. 
Diodes operated in this mode are called forward biased. 

Ø

Current must flow in the forward biased diode. A forward­
biased diode is said to be turned­on  or simply “on”.
Dr. Nasim Zafar

16


Two Modes of Operation: On or Off
Reverse Biased Diode:

Ø

When a negative voltage is applied to the p­side of a diode, 

no current flows and the diode behaves as an open circuit. 
Diodes operated in this mode are called reverse biased diodes.

Ø

An ideal diode has zero current in the reverse biased mode and 
is said to be cut­off or off.

Dr. Nasim Zafar

17


The Ideal Diode Model:

Ø

Consider the two modes of operation for an ideal diode,
either “on” or “off”.

 
It acts as a switch since:
I
OFF
Ø

Ø

ON

In the ON state it is short circuit.

V

In the OFF state it is open circuit.
Dr. Nasim Zafar

18


Ideal diode characteristics:
Forward bias
Biasing polarities

(+)

Reverse Bias
(-)

(-)

(+)

IF
Equivalent switch 
state

ON

OFF

Device resistance

Zero

Infinite

Device current

A­to­K current  
determined by external 
resistance and voltage

Zero

A­to­K voltage

Zero
Dr. Nasim Zafar

Equal to the applied 
voltage
19


Terminal Characteristics of Junction Diodes

Ø

Ø

The Forward­Bias Region, V ≥ 0

The Reversed­Bias Region,  V ≤ 0 


Current­Voltage Characteristic:

Ideal Diode

Real Diode

Ø

   Positive voltage yields finite current

Ø

   Negative voltage yields zero current

Dr. Nasim Zafar

21


Diode Voltages:
To forward bias a diode, 
the anode must be more 
positive than the cathode or 
LESS NEGATIVE. 

To reverse bias a diode, 

the anode must be less 
positive than the cathode 
or MORE NEGATIVE. 

A conducting diode has about 0.6 volts across if silicon, 0.3 volts if germanium.
Dr. Nasim Zafar

22


Example 1­ Forward Biased:

I

R1
1 k

VS
5 V

D1

Dr. Nasim Zafar

23


Example 2­Reverse Biased:

I

R1
1 k

VS
5 V

D1

Dr. Nasim Zafar

24


Diode i­v Characteristics: (Ref No. 3)

less than 1mA at 300K

Vknee

Dr. Nasim Zafar

25