diodos 2 semestre 2015

MATERIAIS CONDUTORES

+v -v

i

• São materiais que na última camada os elétrons estãofracamente ligados ao núcleo

• Sabe-se que o sentido da corrente elétrica é contrária aosentido dos elétrons livres dentro de um condutor aplicandouma ddp entre suas extremidades.

• Material tem uma resistividade elétrica baixa , ocasionandobaixa resistência

MATERIAIS ISOLANTES• São materiais que na última camada os elétrons estão fortemente

ligados ao núcleo, motivo da criação de uma corrente elétricadentro desses materiais.

• Material tem uma resistividade elétrica alta, ocasionando altaresistência

• Os isolantes podem se tornar condutor a partir de uma certatensão, por mais que eles estejam ligados ao núcleo vão se soltartensão, por mais que eles estejam ligados ao núcleo vão se soltare gerar uma corrente, devido a uma alta tensão.

MATERIAIS SEMI CONDUTORES

• São materiais que tem uma condutividade média, isto é, nãosão muito bons condutores e nem muito bons isolantes.

• Material semi condutor é basicamente isolante, não tem e-

livres.• A tensão de rompimento para se tornar condutor é um pouco

menor, que não vai influenciar na análise de um circuito.• O que irá influenciar é processo de dopagem dos materiais

semi condutores.

O que é um diodo?

Um diodo é o tipo mais simples de semicondutor. De modo geral, umsemicondutor é um material com capacidade variável de conduzir correnteelétrica. A maioria dos semicondutores é feita de um condutor pobre queteve impurezas (átomos de outro material) adicionadas a ele. O processo deadição de impurezas é chamado de dopagem.

Diodos emissores de luz, conhecidos como LEDs, sãoverdadeiros heróis não reconhecidos no mundo da eletrônica.Eles fazem vários trabalhos e são encontrados em todos ostipos de aparelhos. Eles formam os números em relógiosdigitais , transmitem informações de controles remotos,digitais , transmitem informações de controles remotos,iluminam relógios e informam quando suas ferramentas estãoligadas. Agrupados, eles podem formar imagens em uma telade televisão gigante ou lâmpada incandescente normal.Basicamente, os LEDs são lâmpadas pequenas que seajustam facilmente em um circuito elétrico. Mas diferentes delâmpadas incandescentes comuns eles não têm filamentosque se queimam e não ficam muito quentes. Além dissoeles são iluminados somente pelo movimento de elétrons emum material semicondutor, e duram tanto quanto umtransistor padrão

PROCESSO DE DOPAGEM• Os principais semicondutores utilizados são o Germânio(Ge) e o Silício(Si).• Na última camada eles tem 4 elétrons de valência ligadas ao núcleo.

Um diodo é o tipo mais simples de semicondutor. De modo geral, um semicondutor é um material com capacidade variável de conduzir corrente elétrica. A maioria dos semicondutores é feita de um condutor pobre que teve impurezas (átomos de outro material) adicionadas a ele. O processo de adição de impurezas é chamado de dopagem.

Na junção, elétrons livres do material tipo-N preenchem buracos do material tipo-P. Isto cria uma camada isolante no meio do diodo, chamada de zona vazia.

Para se livrar da zona vazia, você precisa que elétrons se movam da área tipo-Npara a área tipo-P e que buracos se movam no sentido inverso. Para fazer isto,você conecta o lado tipo-N do diodo ao terminal negativo do circuito e o lado tipo-Pao terminal positivo. Os elétrons livres no material tipo-N são repelidos peloeletrodo negativo e atraídos para o eletrodo positivo. Os buracos no material tipo-Pse movem no sentido contrário. Quando a diferença de potencial entre os eletrodosé alta o suficiente, os elétrons na zona vazia são retirados de seus buracos ecomeçam a se mover livremente de novo. A zona vazia desaparece e a carga semove através do diodo.

Quando o terminal negativo do circuito é preso à camada tipo-N e o terminal positivo é preso à camada tipo-P, elétrons e buracos começam a se mover e a zona vazia desaparece

e você tentar mover a corrente no sentido oposto, com o lado tipo-P conectado aoterminal negativo do circuito e o lado tipo-N conectado ao pólo positivo, a correntenão fluirá. Os elétrons negativos no material tipo-N são atraídos para o eletrodopositivo. Os buracos positivos no material tipo-P são atraídos para o eletrodonegativo. Nenhuma corrente flui através da junção porque os buracos e os elétronsestão cada um se movendo no sentido errado. A zona vazia então aumenta.

Quando o terminal positivo do circuito está ligado à camada tipo-N e o terminalnegativo está ligado à camada tipo-P, elétrons livres são coletados em um terminaldo diodo e os buracos são coletados em outro. A zona vazia se torna maior.

O Díodo, que é composto por uma Junção p-n, pode ser considerado um dos mais simples e dos mais importantes elementos electrónicos. É um dispositivo de dois terminais, Figura 1a. A Figura 1b representa o seu esquema simbólico, onde o terminal "+" se designa por Ânodo e está ligado à Região p, e o terminal "-" se designa por Cátodo e está ligado à Região n. O Díodo opera em três estados distintos: Polarização Direta, Polarização Inversa

Díodo

Esquema Simbólico de um Díodo

.• Chegam a quase ser isolantes.• Se colocar um fio com este material a corrente será baixíssima,

dependendo da tensão a ser armazenada. DOPAGEM : Processo de inserir 1 elemento diferente a cada 10milhões

de átomos de silício.• Este elemento terá um e- a mais ou um e- na última camada de valência .• Existem dois tipos de dopagem ( tipo P e a do tipo N )• Na do tipo N irá inserir um material que tenha um tipo de elétron

sobrando. Se tem “ e “ sobrando , os elétrons irão pular de uma camada para outra, como se fosse uma pequena corrente elétrica se deslocando.para outra, como se fosse uma pequena corrente elétrica se deslocando.

• Na do tipo N irá inserir um material que tenha um tipo de elétron faltando, assim teremos uma corrente elétrica com portadores positivo( núcleo do átomo é fixo e não se movimenta devido a corrente elétrica, esta corrente elétrica é feita por LACUNA (falta de elétron ). A lacuna se deslocando , a corrente se deslocará.

Exemplo:O átomo de Boro que tem 3 elétrons na última camada de valência , quando dopado do silício da origem ao semicondutor tipo P, conforme a figura abaixo.

A Junção PN

A junção PN é o elemento básico na construção de quase todos os dispositivos da eletrônica tais como diodos, transistores, células solares, LEDs e circuitos eletrônicos.

OBS: A dopagem das duas regiões é a mesma, isto é, ND=NA

Difusão

A diferença de concentração de portadores entre dois pontosprovoca um fluxo de cargas. Esse fenômeno é análogo à difusãode gases e por isso é chamada de corrente de difusão.

Quando as duas regiões são colocadas em contato, devido à diferença deconcentração aparece uma corrente: de elétrons indo da região N para a P ede lacunas da região P para a N – corrente de difusão

Formando a Junção – Corrente de Difusão

Junção PN no Equilíbrio•A corrente de difusão provoca o aparecimento da região de carga espacial (r.c.e) que livre de cargas livres, existindo somente ions da impureza, negativo do lado P e positivo do lado N.•Associado às cargas dos dois lados da junção aparece uma tensão chamada de barreira de potencial de aproximadamente 0,7V no caso do Si e 0,3V do Ge.

No equilíbrio a soma das correntes através da junção é nula: Is + ID=0

ID= corrente de difusão (portadores majoritarios, lacunas no lado P e eletrons livres No lado N

IS= corrente reversa de saturação (portadores minoritarios, eletrons livres do lado Placunas do lado N)

A Junção PN em Polarizada Reversamente

•Com polarização reversa ( pólo positivo da bateria ligado no lado N e pólo negativo do P) a região de carga espacial aumenta , aumentando a barreira de potencial.• A corrente de difusão (portadores majoritários se anula), só existe a corrente reversa de saturação, Is, de portadores minoritarios.•Se a dopagem é a mesma dos dois lados a largura da r.c.e será a mesma dos dois lados da junção.

A corrente externa vale: I=Is (nA para Si e uA para Ge)

A Junção PN Polarizada Diretamente

•Com polarização direta ( pólo positivo da bateria ligado no lado P e pólo negativo do N) a região de carga espacial diminui , diminuindo a barreira de potencial se a tensão aplicada externa for maior que 0,6V (Si) e 0,3V(Ge).•A corrente de difusão (ID) de portadores majoritários aumenta.

•A corrente externa vale: I=ID – IS=ID

O Diodo de Junção

O diodo de junção é essencialmente uma junção PN na qual foram adicionados os terminais e feito um encapsulamento adequado

Modelos do Diodo

Modelar um dispositivo eletrônico, é usar componentes básicos tais comoresistências, fontes de tensão, fontes de corrente e capacitâncias pararepresentá-lo, permitindo desta forma que possamos usar as leis de circuito pararepresentá-lo, permitindo desta forma que possamos usar as leis de circuito paraestudá-lo.

Para cada situação é usado um modelo. No caso do diodo na maioria dasvezes o modelo usado é o ideal.

Modelo 1 - Diodo Ideal

O modelo mais simples do diodo considera-o como sendo uma chave que écontrolada pela tensão aplicada no diodo. Se a tensão é positiva a chave fecha,se é negativa a chave abre. O diodo se comporta de forma ideal

O erro é da ordem de 3%.

Modelo 2 – Bateria

Neste caso o diodo quando em condução será considerado uma bateria de0,6V ou 0,7V

O erro é da ordem de 3%

Modelo 3 - Bateria e Resistência

O modelo representativo do diodo em condução pode ser melhorado considerando a resistência do corpo do diodo (RD),

O erro pode ser diminuído considerando um valor adequado de resistência direta (RD).

1)Tη.Vv

.(eSIf(v)i

Equação Característica

é uma constante que pode variar entre 1 e 2 dependendo de aspectos construtivos do diodo

VT depende da temperatura cujo valor é calculado por

Is corrente reversa de saturação

q

T.kVT

k=constante de Boltzmann=1,38.10-23J/oK T(oK)=273+ T(oC)

q=valor da carga do elétron=1,6.10-19C

Para a temperatura de 25oC o valor de VT é de aproximadamente 25mV

01.

Com diodo invertido02.

03.

04.

05.

06.

07