Figure 3.7 Zener diode symbol and current-voltage relationship. 
schematic symbol
I
V
current-voltage relationship
V
z
zener
voltage
operating
point
ideal
zener
diode
real
zener
diode
3.3 Junction Diode 
81
Lab Exercise 4 introduces diodes and how they are used in basic circuits. The 
Lab also shows the differences between signal diodes and LEDs.
3.3.1 Zener Diode 
Reflect back on the current-voltage relationship for a diode shown in  Figure 3.6 . 
Note that when a diode is reverse biased with a large enough voltage, the diode 
allows a large reverse current to flow. This is called diode  breakdown.  For most 
diodes the breakdown value is at least 50 V and may extend to kilovolts. A special 
class of diodes is designed to exploit this characteristic. They are known as  zener,  
avalanche, or voltage-regulator  diodes.  This family of diodes exhibits steep break-
down curves with well-defined breakdown voltages; thus, they can maintain a nearly 
constant voltage over a wide range of currents (see  Figure 3.7 ). This characteristic 
makes them good candidates for building simple voltage regulators, because they 
can maintain a stable DC voltage in the presence of a variable supply voltage and 
variable load resistance. 
To properly use the zener diode in a circuit, the zener should be reverse biased 
with a voltage kept in excess of its breakdown or  zener voltage   V  
z 
. Using a zener 
diode in series with a resistor as shown in  Figure 3.8  results in a simple circuit 
known as a  voltage regulator.  The output voltage of the circuit  V  
out
is maintained 
or regulated by the zener diode at the zener voltage  V  
z 
. Even when the current 
through the zener diode changes (∆ I  
z 
in the figure), the output voltage remains 
relatively constant (i.e., ∆ V  
z 
is small). The narrowness of the voltage range for a 
given current change is a measure of the voltage regulation of the circuit. If the 
input voltage and load do not change much, this circuit is effective in obtaining 
steady and lower DC voltage values from a source, even if the source is not well 
regulated. 
Because the load applied to the voltage regulator will change with time in most 
applications and the voltage source will exhibit fluctuations, careful consideration 
L
a
b
E
x
e
r
c
i
s
e
Lab 4Band-
width, filters, and 
diodes
Best convert pdf to jpg - Convert PDF to JPEG images in C#.net, ASP.NET MVC, WinForms, WPF project
How to convert PDF to JPEG using C#.NET PDF to JPEG conversion / converter library control SDK
convert pdf to 300 dpi jpg; convert pdf file to jpg format
Best convert pdf to jpg - VB.NET PDF Convert to Jpeg SDK: Convert PDF to JPEG images in vb.net, ASP.NET MVC, WinForms, WPF project
Online Tutorial for PDF to JPEG (JPG) Conversion in VB.NET Image Application
batch pdf to jpg online; changing pdf to jpg
Figure 3.8 Zener diode voltage regulator. 
+
R
V
in
V
out
=
V
z
+
I
V
ΔV
z
ΔI
z
I
z
82 
CHAPTER 3 
Semiconductor Electronics
must be paid to the effect on the regulated voltage  V  
z 
. For the circuit shown in 
Figure 3.8 , the zener current is related to the circuit voltages according to
I
z
V
in
V
z
(
)
R
-----------------------
=
(3.2)  
To determine how changes in current are related to changes in voltage, we take the 
finite differential of Equation 3.2, which yields
ΔI
z
1
R
---
ΔV
in
ΔV
z
(
)
=
(3.3)  
The zener diode is a nonlinear circuit element, and therefore ∆ V
z 
is not directly pro-
portional to ∆ I  
z 
. However, it is useful to define a dynamic resistance  R  
d 
that is the 
slope of the zener characteristic curve at a particular operating point. This allows us 
to express the zener current change in terms of the zener voltage change:
ΔI
z
ΔV
z
R
d
---------
=
(3.4)   
Normally a manufacturer specifies the nominal zener current  I  
zt 
and the maxi-
mum dynamic impedance ( R  
d 
) at the nominal zener current. In a circuit design using 
a zener diode, the zener current must exceed  I  
zt 
; otherwise, the zener may operate 
near the “knee” of the characteristic curve where regulation is poor (i.e., where there 
is a large change in voltage with a small change in zener current). 
By substituting Equation 3.4 into Equation 3.3 and solving for ∆ V  
z 
, we can 
express changes in the regulator output voltage ∆ V  
out
in terms of fluctuations in the 
source voltage ∆ V  
in
:
ΔV
out
ΔV
z
R
d
R
d
+R
---------------
ΔV
in
=
=
(3.5)  
Therefore, the circuit acts like a voltage divider (for a change in voltage) with the 
circuit. 
Online Convert Jpeg to PDF file. Best free online export Jpg image
Online JPEG to PDF Converter. Download Free Trial. Convert a JPG to PDF. You can drag and drop your JPG file in the box, and then start
convert pdf document to jpg; convert pdf pages to jpg
Online Convert PDF to Jpeg images. Best free online PDF JPEG
Download Free Trial. Convert a PDF File to JPG. Easy converting! We try to make it as easy as possible to convert your PDF files to JPG.
convert pdf into jpg; reader convert pdf to jpg
3.3 Junction Diode 
83
We wish to determine the regulation performance of the zener diode circuit shown in  
Figure 3.8  for a voltage source  V  
in
whose value ranges between 20 and 30 V. For the zener 
diode, we select a 1N4744A manufactured by National Semiconductor from the family 
1N4728A to 1N4752A (having different zener voltage values). It is a 15 V, 1 W zener diode. 
We select a value of  R  based on the specifications of this diode. 
To limit the maximum power dissipation to less than 1 W, the current through the diode 
must be limited to
= 1 
= 66.7 mA
I
z
max
W⁄15 V
Therefore, using Equation 3.2, the value for resistance  R  should be chosen to be at least 
R
min
V
in
max
V
z
(
I
z
max
30 V V 15 V
(
) 66.7 mA
225 Ω
=
=
=
The closest acceptable standard resistance value is 240 Ω. From the manufacturer’s speci-
fications for this zener diode, its dynamic resistance  R  
d 
is 14 Ω at 17 mA. The current  I  
z 
in 
this example is larger than this value, so the operating point of the zener diode is on the well-
regulated portion of the characteristic curve. Using the given value for  R  
d 
in Equation 3.5, 
we can approximate the resulting output voltage range: 
ΔV
out
ΔV
z
R
d
R
d
+R
---------------
ΔV
in
14
14 240
+
---------------------
(30–20
)V 0.55 V
=
=
=
=
which is a measure of regulation of this circuit. This can be expressed as a percentage of the 
output voltage for a relative measure:      
ΔV
out
V
out
-------------
100%
0.55V
15V
---------------
100%
3.7%
=
=
Zener Regulation Performance 
EXAMPLE 3.2 
■ CLASS DISCUSSION ITEM 3.4 
Effects of Load on Voltage Regulator Design 
Example 3.2 ignored the current that would be drawn by a load. What effect would 
a load have on the results of the analysis? 
Figure 3.9  illustrates a simple voltage regulator circuit where  R  
L 
is a load resis-
tance and  V  
in
is an unregulated source whose value exceeds the zener voltage  V  
z 
. The 
purpose of this circuit is to provide a constant DC voltage  V  
z 
across the load with a 
corresponding constant current through the load. Providing a stable regulated volt-
age to a system containing digital integrated circuits is a common application. 
If we assume the zener diode is ideal (i.e., its breakdown current-voltage curve 
is vertical), we can draw some conclusions about the regulator circuit. First, the load 
C# Create PDF from images Library to convert Jpeg, png images to
Best and professional C# image to PDF converter SDK for Visual Studio .NET. Batch convert PDF documents from multiple image formats, including Jpg, Png, Bmp, Gif
convert pdf photo to jpg; change pdf to jpg image
VB.NET PDF Convert to Images SDK: Convert PDF to png, gif images
Best adobe PDF to image converter SDK for Visual Studio .NET. Convert PDF documents to multiple image formats, including Jpg, Png, Bmp, Gif, Tiff, Bitmap
conversion of pdf to jpg; convert pdf file into jpg format
+
R
V
in
I
z
R
L
I
in
I
L
V
z
+
Figure 3.9 Zener diode voltage regulator circuit. 
84 
CHAPTER 3 
Semiconductor Electronics
voltage will be  V  
z 
as long as the zener diode is subject to reverse breakdown. There-
fore, the load current  I  
L 
is
I
L
V
z
R
L
------
=
(3.6)  
Second, the load current will be the difference between the unregulated input current 
I  
in
and the zener diode current  I  
z 
:
I
L
I
in
I
z
=
(3.7)  
As long as  V  
z 
is constant and the load does not change,  I  
L 
remains constant. This 
means that the diode current changes to absorb changes from the unregulated source. 
Third, the unregulated source current  I  
in
is given by
I
in
V
in
V
z
(
)
R
-----------------------
=
(3.8)  
R  is known as a current-limiting resistor because it limits the power dissipated by the 
zener diode. If  I  
z 
gets too large, the zener diode fails.   
Suppose we need to design a regulated 15 V DC source to power a mechatronic system, and 
we would like to use the voltage regulator circuit shown in  Figure 3.9 . Furthermore, suppose 
we have access to only a poorly regulated DC source  V  
in
whose nominal value is 24 V. 
As the load  R  
L 
changes, the zener current  I  
z 
increases for larger  R  
L 
and decreases for 
smaller  R  
L 
. If we know the maximum possible load resistance (assuming that the output 
never is an open circuit), we can size the zener diode with regard to its power dissipation 
characteristics and select a current-limiting resistor. Combining Equations 3.6 and 3.7 and 
using the maximum value of the load      R
L
max
gives
I
z
max
I
in
V
z
R
L
max
-----------
=
This is the largest current the zener experiences. The power dissipated by the zener diode is 
P
z
max
I
z
max
V
z
I
in
V
z
R
L
max
-----------
V
z
=
=
Zener Diode Voltage Regulator Design 
DESIGN 
EXAMPLE 3.1
VB.NET PDF - Convert PDF with VB.NET WPF PDF Viewer
Best WPF PDF Viewer control as well as a powerful PDF converter. Convert PDF to image file formats with high quality, support converting PDF to PNG, JPG
change from pdf to jpg; pdf to jpeg converter
VB.NET Create PDF from images Library to convert Jpeg, png images
Best and professional image to PDF converter SDK Components to batch convert PDF documents in Visual Basic Support create PDF from multiple image formats in VB
change pdf into jpg; convert pdf picture to jpg
LM7815C
unregulated
input
(17.7  to 35 V)
15 V
regulated
output
Figure 3.10 15 V regulated DC supply. 
3.3 Junction Diode 
85
In summary, zener diodes are useful in circuits where it is necessary to derive 
smaller regulated voltages from a single higher-voltage source. When designing 
ven the 
pow-
ered by a 9 V battery and require good 5 V DC supplies for digital devices, a well-
designed zener regulator is a cheap and effective solution if the current requirements 
are modest.  
3.3.2 Voltage Regulators 
Although the zener diode voltage regulator is cheap and simple to use, it has some 
drawbacks: The output voltage cannot be set to a precise value, and regulation 
vices 
are designed to serve as voltage regulators, some for fixed positive or negative values 
and others easy to adjust to a desired, nonstandard value. One group of regulators 
that is easy to use is the three-terminal regulator designated as the 78XX, where the 
last two digits (XX) specify a voltage with standard values: 5 (05), 12, or 15 V. Using 
a regulator such as the LM7815C, a well-regulated 15 V source is easy to create, as 
shown in  Figure 3.10 . 
We could use this design instead of the zener regulator shown in Design 
Example 3.1 (see  Class Discussion Item 3.5 ). The 78XX can deliver up to 1 amp of 
current and is internally protected from overload. Using this device, the designer 
I  
in
is controlled by the current-limiting resistor  R.  Substituting Equation 3.8 yields 
P
z
max
V
in
V
z
R
------------------
V
z
V
z
2
R
L
max
-----------
=
Furthermore, for this design problem, we assume that      R
L
max
is 240 Ω, and we wish to select a 
1 W zener. Therefore, 
1W
24
V
15V
R
min
-----------------------------
(15V
)
225V
2
240
Ω
-----------------
=
We can now solve for the minimum required current-limiting resistance  R: 
R
min
69.7Ω
=
The closest acceptable standard resistance value is 75 Ω. 
C# WPF PDF Viewer SDK to convert and export PDF document to other
Best PDF Viewer control as well as a powerful .NET WinForms application Convert PDF to image file formats with high quality, support converting PDF to PNG
convert pdf to jpg batch; .pdf to .jpg converter online
C# PDF Convert to Tiff SDK: Convert PDF to tiff images in C#.net
Best C#.NET PDF converter SDK for converting PDF to Tiff in Visual Studio .NET project. Also supports convert PDF files to jpg, jpeg images.
bulk pdf to jpg; convert pdf to jpg file
Figure 3.11 1.2 to 37 V adjustable regulator. 
LM317L
unregulated
input voltage
(1.2  to 37 V)
regulated
output
voltage
R
2
R
1
10 μF
86 
CHAPTER 3 
Semiconductor Electronics
need not perform the design calculations shown with the zener diode regulator. The 
78XX series of regulators have complementary 79XX series values for the design of 
+ / -  voltage supplies. 
■ CLASS DISCUSSION ITEM 3.5 
78XX Series Voltage Regulator 
In Design Example 3.1, we used a zener diode to provide a desired DC voltage. 
Now show how a 78XX voltage regulator can do the same job. Specify the regulator 
and describe its characteristics. 
In some cases, you may need a regulated voltage source with a value not pro-
vided in a manufacturer’s standard sequence. Then you may use a three-terminal reg-
ulator designed to be adjustable by the addition of external resistors. The LM317L 
can provide an adjustable output with the addition of two external resistors as shown 
in  Figure 3.11 . The output voltage is given by
V
out
1.25 1
R
2
R
1
-----
+
V
=
(3.9)  
These adjustable regulators are available in higher current and voltage ratings. 
Three-terminal voltage regulators are accurate, reject ripple on the input, reject 
voltage spikes, have roughly a 0.1% regulation, and are quite stable, making them 
useful in mechatronic system design. 
■ CLASS DISCUSSION ITEM 3.6 
Automobile Charging System 
is charged by a belt-driven AC alternator whose frequency and voltage vary with 
alternator and the battery, and how can this be done? 
cathode (–)
anode (+)
colored plastic lens
schematic symbol
+
Figure 3.12 Light-emitting diode.
+
+
5 V
2 V
9 mA
330 Ω
Figure 3.13 Typical LED circuit in digital systems. 
3.3 Junction Diode 
87
3.3.3 Optoelectronic Diodes 
Light-emitting diodes  are diodes that emit photons when forward biased. The typi-
cal LED and its schematic symbol are illustrated in  Figure 3.12 . The positive lead, 
or anode, is usually the longer of the two leads. The LED is usually encased in a 
colored plastic material that enhances the wavelength generated by the diode and 
amount of current flowing through the device. LEDs are manufactured to produce a 
variety of colors, but red, yellow, and green are usually the most common and least 
expensive. It is important to remember that an LED has a voltage drop of 1.5 to 2.5 V 
when forward biased, somewhat more than small signal silicon diodes. It takes only 
a fe
current-limiting resistor in the circuit to prevent excess forward current, which can 
quickly destroy the diode. Usually a 330 Ω resistor is included in series with an LED 
when used in digital (5 V) circuit designs.  Figure 3.13  shows a typical LED circuit. 
Note that the current is limited to about 9 mA (3 V/330 Ω), which is enough to fully 
light the LED and is well within the current limit reported by manufacturers for most 
LEDs. Lab Exercise 4 demonstrates how to build LED circuits properly and shows 
how much forward bias voltage and current is required to fully light an LED. 
Earlier we said that a pn junction is sensitive to light. Special diodes, called 
photodiodes,  are designed to detect photons and can be used in circuits to sense 
light as shown in  Figure 3.14 . Note that it is the reverse current that flows through 
the diode when sensing light. It takes a considerable number of photons to provide 
detectable voltages with these devices. The phototransistor (see Section 3.4.6) can 
L
a
b
E
x
e
r
c
i
s
e
Lab 4Band-
width, filters, and 
diodes
+
V
light
R
I
Figure 3.14 Photodiode light detector circuit. 
88 
CHAPTER 3 
Semiconductor Electronics
be a more sensitive device, although it is slower to respond. The photodiode is based 
on quantum effects. If photons excite carriers in a reverse-biased pn junction, a very 
small current proportional to the light intensity flows. The sensitivity depends on the 
wavelength of the light. 
3.3.4 Analysis of Diode Circuits 
a nonlinear device, one has to be careful not to naively apply the linear circuit analy-
sis methods discussed so far. 
DC circuits that contain many diodes may not be easy to analyze by inspec-
tion. The following procedure is a straightforward method to determine voltages and 
Next, replace each diode with an equivalent open circuit if the assumed current is in 
a reverse bias direction or a short circuit if it is in the forward bias direction. Then 
compute the voltage drops and currents in the circuit loops using KVL and KCL. 
element, you have made the wrong assumption and must change its direction and 
reanalyze the circuit. Repeat this procedure with different combinations of current 
oltage 
drops and currents. 
This e
two ideal diodes. In the following circuit, we want to determine all currents and voltages. We 
begin by arbitrarily assuming the current directions as shown. 
2R
1 V
+
+
2R
R
R
1 V
I
1
I
2
I
3
I
4
Analysis of Circuit with More Than One Diode 
EXAMPLE 3.3 
3.3 Junction Diode 
89
Ha
assumed to be forward biased. The equivalent circuit follows. 
2R
1 V
+
+
2R
R
R
1 V
I
1
I
2
I
3
I
4
By applying KVL to the loop containing  I  
2
and  I  
3
, we find that  I  
2
  -  2 I  
3
. We conclude 
that one of the current directions was incorrectly assumed. Therefore, we need to change one 
of our initial assumptions. Assume  I  
2
is in the direction opposite to that first chosen. With 
verse biased. 
The equivalent circuit is shown next. 
2R
1 V
+
+
_
+
2R
R
R
1 V
I
1
V
diode
I
2
I
3
I
4
Note that  I  
2
 0 in this circuit and  V  
diode
is the voltage across the reverse-biased diode. 
By applying KVL to the loop containing  I  
3
and  I  
4
, the result is that  I  
3
< 0. Therefore, our 
assumed direction for  I  
3
is incorrect. We must reverse  I  
3
and replace the diode with an open 
circuit. The resulting circuit is shown. 
2R
1 V
+
+
_
_
+
+
2R
R
R
A
B
1 V
I
1
V
diode
V
diode
I
2
I
3
I
4
Note that  I  
2
and  I  
3
are both 0 in this circuit and each reverse-biased diode has a nonzero 
voltage across its terminals. The diode branches are in parallel, so they must have the same 
voltage across them, which is the voltage across nodes A and B. Because the diode currents 
are assumed to be zero, there would be no drops across the diode-branch resistors. Therefore, 
the voltage across each diode would need to be the same (magnitude and polarity). This is not 
The neve 
not investigated, follows. 
2R
1 V
+
_
+
+
2R
R
R
1 V
I
1
V
diode
I
2
I
3
I
4
(continued )
90 
CHAPTER 3 
Semiconductor Electronics
The procedure and example above assumed that when a diode is forward biased, 
it can be replaced by a short circuit, which implies a 0 forward bias voltage. The 
procedure has to be modified to model real diodes accurately. To account for the for-
ward bias v
a small voltage source whose voltage is equal to the forward bias value of the diode. 
If we analyze this circuit (Question 3.9), we find that  I  
2
> 0 and  V  
diode
> 0 as assumed. 
Therefore, there are no inconsistencies, and our results are correct. 
In this example, we performed an exhaustive search to check every possible combina-
luck or by an educated guess, the exhaustive search would not have been required.  
■ CLASS DISCUSSION ITEM 3.7 
Voltage Limiter 
The diode portion of the following circuit is called a  voltage limiter.  Explain why. 
Sketch some input and output waveforms that illustrate the circuit’s behavior. Note: 
V  
H 
>  V  
L 
+
+
+
_
V
L
+
V
H
R
i
V
in
V
out
R
L
source
load
VOLTAGE
LIMIT
##
3.4 BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR 
The bipolar junction transistor was the salient invention that led to the electronic age, 
integrated circuits, and ultimately the entire digital world. The transistor has truly 
revolutionized human existence by impacting practically everything in our every-
day lives. We begin this section by providing the physical foundations necessary to 
understand the function of the transistor. Then we show how it can be used to build 
some important circuits.  
3.4.1 Bipolar Transistor Physics 
We saw earlier that a semiconductor diode consists of adjacent regions of p-type and 
n-type silicon, each connected to a lead. A  bipolar junction transistor  (BJT), in 
contrast, consists of three adjacent regions of doped silicon, each of which is con-
nected to an external lead. There are two types of BJTs: npn and pnp transistors. 
(concluded)
Documents you may be interested
Documents you may be interested