diodos fundamentos 12 h. 2 diodo ideal 3 limitaÇÃo da tensÃo direta e corrente reversa

DIODOS

FUNDAMENTOS12 h

2

DIODO IDEAL

3

LIMITAÇÃO DA TENSÃO DIRETA E CORRENTE REVERSA

4

RETIFICADOR

5

EXEMPLO 3.1

Considere o circuito a seguir, onde a tensão da bateria é de 12 V e a tensão de pico da senóide é de 24 V.

Determine a fração de tempo de cada ciclo em que o diodo conduz, e também o valor de pico da corrente no diodo e a tensão de polarização reversa máxima sobre o diodo.

6

EXEMPLO 3.1

7

EXEMPLO 3.1

O diodo conduz quando vs>12, ou seja24sin()=12

que tem como solução1=30° e 2=150°

ou seja, conduz durante =2-1=120°, o que representa 1/3 do período.

A corrente de pico valeId=(24-12)/100=0,12 A

A tensão reversa máxima é igual a:Vd=12-(-24)=36 V

8

EXEMPLO 3.2

Determine V e I no circuito com diodos a seguir. Na primeira figura, supondo ambos os diodos

conduzindo, temos que:VB=0, V=0, ID2=1 mA e portanto I=1 mA.

Na segunda figura, supondo ambos os diodos conduzindo, temos que:

VB=0, V=0, ID2=2 mA e I=-1 mA,

o que indica que D1 está cortado, e portanto I=0.

9

EXEMPLO 3.2

10

EXEMPLO 3.2

Além disso,ID2=20/15k=1,33 mA

V=VB=-10+10k1,33m=3,3 V

o que confirma o corte de D1.

11

CARACTERÍSTICA ELÉTRICA DE DIODOS REAIS

12

CARACTERÍSTICA ELÉTRICA DE DIODOS REAIS Existem 3 regiões distintas:

– Polarização direta se v>0.– Polarização reversa se v<0– Região de ruptura se v<-VZK

13

REGIÃO DE POLARIZAÇÃO DIRETA Na região de polarização direta:

i=IS{exp[v/(nVT)]-1}

onde IS é denominada corrente de saturação (da ordem de 10-15 A para pequenos diodos), VT é denominada tensão térmica e 1n2 é uma constante de fabricação do diodo.

14

REGIÃO DE POLARIZAÇÃO DIRETA A tensão térmica é dada por:

VT=kT/qonde k=1,3810-23 J/K, T é a temperatura em K e q=1,610-19 C é a carga de um elétron, que à temperatura ambiente vale:VT25 mV.

No sentido direto para i>>IS

i=ISexp[v/(nVT)]ouv=nVTln(i/IS)

15

REGIÃO DE POLARIZAÇÃO DIRETA Para v<0,5 V a corrente é desprezível.

Assim, v=0,5 V é denominada tensão de corte.

Por outro lado, a queda de tensão de um diodo em condução é v0,7 V.

Como IS e VT variam com a temperatura, dada uma corrente constante, a tensão diminui 2 mV para cada °C de aumento da temperatura.

16

VARIAÇÃO DA TENSÃO COM A TEMPERATURA

17

REGIÃO DE POLARIZAÇÃO REVERSA Neste caso, v<0 e portanto a exponencial

torna-se desprezível perante a unidade, e assim:

I -IS Na verdade a corrente reversa é muito

maior que a corrente de saturação, podendo alcançar 1 nA, e isto se deve a efeitos de fuga.

18

REGIÃO DE RUPTURA

Ela ocorre quando a tensão reversa for maior que a tensão de ruptura.

Neste caso, a corrente aumenta rapidamente para um aumento pequeno na tensão. Se não houver um resistor que limite a corrente, o diodo se destruirá.

Observe que nesta região, um diodo pode funcionar como uma fonte de tensão.

19

ANÁLISE DE CIRCUITO COM DIODOS

20

ANÁLISE DE CIRCUITO COM DIODOS Podemos escrever duas equações:

ID=ISexp(VD/nVT)eID=(VDD-VD)/R

Supondo que IS e n sejam conhecidos, a solução deste sistema não-linear de equações não apresenta forma fechada.

Solução: cálculo numérico ou análise gráfica.

21

ANÁLISE GRÁFICA

22

MODELO DE SEGMENTOS LINEARES

23

MODELO DE SEGMENTOS LINEARES Neste caso:

iD=0 para vDVD0

ID=(vD-VD0)/rD para vDVD0

onde para o exemplo anteriorVD0=0,65 V e rD=20

O modelo de segmentos lineares pode ser modelado pelo circuito a seguir.

24

MODELO DE SEGMENTOS LINEARES

25

EXEMPLO 3.5

Obtenha a corrente e a tensão no diodo para o circuito com diodo e resistor mostrado anteriormente utilizando o modelo de segmentos lineares com

VD0=0,65 V

rD=20

R=1 k

26

EXEMPLO 3.5

27

EXEMPLO 3.5

Neste caso, podemos escrever para a corrente no diodo:

ID=(VDD-VD0)/(R+rD)

ID=(5-0,65)/(1000+20)=4,3 mA A tensão no diodo é dada por:

VD=VD0+rDID

VD=0,65+204,310-3=0,735 V

28

MODELO DE QUEDA DE TENSÃO CONSTANTE

29

MODELO DE QUEDA DE TENSÃO CONSTANTE Neste caso, podemos escrever que:

ID=(VDD-VD0)/R

onde tipicamente VD0=0,7 V. Para o exemplo anterior:

ID=(5-0,7)/1000=4,3 mA

30

MODELO DE QUEDA DE TENSÃO CONSTANTE

31

MODELO PARA PEQUENOS SINAIS Considere um diodo polarizado para operar

com um sinal em torno do ponto quiescente. A tensão total no diodo é dada por:

vD(t)=VD+vd(t) A corrente instantânea pode ser escrita

como:iD(t)=ISexp[(VD+vd)/nVT]iD(t)=ISexp(VD/nVT)exp(vd/nVT)iD(t)=IDexp(vd/nVT)

32

MODELO PARA PEQUENOS SINAIS

33

MODELO PARA PEQUENOS SINAIS Supondo que vd/nVT<<1, podemos

aproximar a exponencial pelos dois primeiros termos de sua série de Taylor:iD(t)=ID(1+vd/nVT)iD(t)=ID+(ID/nVT)vd

iD(t)=ID+id

ondeid=vd/rd

34

MODELO PARA PEQUENOS SINAIS E portanto,

rd=nVT/ID Ou seja a resistência dinâmica é

inversamente proporcional à corrente. E portanto,

vD(t)=VD+rdid De onde, tiramos o modelo circuital a seguir.

35

MODELO PARA PEQUENOS SINAIS

36

CIRCUITOS EQUIVALENTES PARA PEQUENOS SINAIS

37

EXEMPLO 3.6

Considere o circuito a seguir, no qual a fonte de tensão V+ tem um valor DC de 10 V, sobreposto a uma ondulação senoidal de 60 Hz de 1 V de pico.

Calcule a amplitude do sinal senoidal sobre o diodo. Suponha que VD=0,7 V, R=10 k e n=2.

38

EXEMPLO 3.6

39

EXEMPLO 3.6

Do ponto de vista DC,ID=(10-0,7)/10=0,93 mA

A resistência dinâmica é dada por:rd=nVT/ID=225/0,93=53,8

A tensão senoidal sobre o diodo vale:vd=v+rd/(rd+R)=5,4 mVe que por ser pequeno (<< 10 mV) justifica a aplicação do modelo de pequenos sinais.

40

DIODOS ZENER

41

MODELO PARA O DIODO ZENER Um diodo zener na região de ruptura pode

ser modelado por:VZ=VZ0+rzIZ para IZIZK

onde VZ0 é o ponto em que a curva do zener intercepta o eixo de tensão, e rz representa a inclinação daquela curva.

42

MODELO PARA O DIODO ZENER

43

EXEMPLO 3.8

Seja o circuito da figura a seguir, onde um diodo zener é utilizado. A tensão de zener VZ=6,8 V é obtida para uma corrente de zener IZ=5 mA, com rz=20 e IZK=0,2 mA. A fonte de alimentação V+=101 V.

Determine VO sem carga usando V+ nominal.

Calcule a variação de VO resultante da variação de 1 V em V+.

44

EXEMPLO 3.8

Calcule a variação em VO resultante da conexão de uma carga de RL=2 k.

Calcule a variação em VO quando RL=0,5 k.

Qual o valor mínimo de RL para o diodo continuar a operar na região de ruptura.

45

EXEMPLO 3.8

46

EXEMPLO 3.8

Podemos determinar inicialmente,VZ0=VZ-rzIZ=6,8-20510-3=6,7 V

Sem carga, temos queIZ=(V+-VZ0)/(R+rz)=(10-6,7)/520=6,3 mA

Portanto,VO=VZ0+IZrz=6,7+6,310-320=6,83 V

Para uma variação V+=1 V, temos queVO=V+rz/(rz+R)=120/520=38,5 mV

47

EXEMPLO 3.8

Uma carga de 2 k vai drenar aproximadamente 3,4 mA, portantoVO=rzIZ=-203,410-3=-68 mV

Uma carga de 500 vai drenar aproximadamente 13,6 mA, o que não é possível, pois a corrente pelo resistor é de apenas 6,4 mA. Neste caso o zener estará cortado e a tensão de saída será dada porVO=V+RL/(R+RL)=10/2=5 Vo que confirma o corte do zener.

48

EXEMPLO 3.8

Para o zener operar com corrente IZK=0,2 mA, temos que VZ=VZKVZ0=6,7 V. Neste caso, a corrente de pior caso que passa por R é (9-6,7)/0,5=4,6 mA, e portanto a corrente que sobra na carga é 4,6-0,2=4,4 mA. Portanto,

RL=6,7/4,4=1,5 k.

49

PROJETO DE REGULADOR ZENER Considere o regulador com zener a seguir. O regulador é alimentado com uma tensão

que possui uma grande ondulação. A função do regulador é fornecer uma

tensão de saída que seja a mais constante possível, independente de:– Tensão de Entrada– Variações da carga.– Ondulação da tensão de entrada.

50

PROJETO DE REGULADOR ZENER

51

PROJETO DE REGULADOR ZENER Dois parâmetros são usados para medir a

qualidade de um regulador.– Regulação de Linha:

RL=VO/VS

– Regulação de Carga:RC=VO/IL

Utilizando a próxima figura, temos para o regulador zener que:VO=VZ0R/(R+rz)+VSrz/(R+rz)-ILRrz/(R+rz)

52

PROJETO DE REGULADOR ZENER

53

PROJETO DE REGULADOR ZENER Portanto,

RL=rz/(R+rz)RC=-Rrz/(R+rz)

Altos valores de R são desejáveis. No entanto o valor máximo de R deve satisfazer R=(VSmin-VZ0-rzIZmin)/(Izmin+ILmax)pois baixos valores de VS e altos valores de IL conduzem a baixos valores de IZ.

54

EXEMPLO 3.9

Projete um regulador zener para:VO=7,5 V

15VS25 V

0IL15 mA

VZ=7,5 V para IZ=20mA e rz=10 . Calcule R e determine as regulações de

linha e de carga.

55

EXEMPLO 3.9 Podemos determinar inicialmente,

VZ0=VZ-rzIZ=7,5-102010-3=7,3 V A seguir, escolhendo que Izmin=5 mA, temos

R=(VSmin-VZ0-rzIZmin)/(Izmin+ILmax)R=(15-7,3-10510-3)/(2010-3)=383

Portanto,RL=rz/(R+rz)=25,4 mV/VVO=0,25 VRC=-Rrz/(R+rz)=-9,7 V/AVO=-0,15 V

56

COEFICIENTE DE TEMPERATURA DOS ZENERS Os diodos zener exibem um coeficiente de

temperatura negativo se a sua tensão de zener for menor que 5 V.

Por outro lado, diodos com tensão acima de 5 V, apresentam coeficiente de temperatura positivo.

A combinação em série de um zener com um TC de 2 mV/°C e um diodo com TC de –2 mV/°C proporciona uma tensão de VZ+VD e que é estável com temperatura.

57

FONTE DE ALIMENTAÇÃO DC

58

RETIFICADOR DE MEIA ONDA Considere o retificador de meia onda a

seguir. A tensão de saída é dada por:vO=0 para vS<VD0

vO=(vS-VD0)R/(R+rD) para vSVD0

Se rD<<R entãovOvS-VD0 para vSVD0

A tensão de pico reversa sobre o diodo éPIV=Vs

59

RETIFICADOR DE MEIA ONDA

60

RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA Considere o retificador de onda completa a

seguir. A tensão de saída é dada por:vO=(vS-VD0)R/(R+rD)

Se rD<<R então

vOvS-VD0

A tensão de pico reversa sobre o diodo éPIV=2Vs-VD0

61

RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA

62

RETIFICADOR EM PONTE

Considere o retificador em ponte a seguir. A tensão de saída é dada por:

vO=(vS-2VD0)R/(R+2rD) Se rD<<R então

vOvS-2VD0

A tensão de pico reversa sobre o diodo éPIV=Vs-VD0

63

RETIFICADOR EM PONTE

64

RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM FILTRO IDEAL

65

RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM FILTRO REAL Considere o retificador com filtro a seguir. Vamos supor que

– RC>>T.– O diodo conduz por um breve intervalo de tempo t.– No intervalo de corte, o capacitor C se descarrega

através do resistor R. No intervalo de corte,

Vo=Vpexp(-t/RC) Ao final do intervalo de descarga

Vp-VrVpexp(-T/RC)

66

RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM FILTRO

67

RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM FILTRO Usando a aproximação por série de Taylor que:

exp(-T/RC)=1-T/(RC) Portanto,

VrVpT/(RC)=Vp/(fRC) O valor médio da tensão de saída é dada por:

VOVp-Vr/2=Vp[1-1/(2fRC)] O ângulo de condução do diodo pode ser obtido a

a partir de:Vpcos(2ft)=Vpcos()=Vp-Vr

68

RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM FILTRO Usando a aproximação por série de Taylor que:

cos()1-2/2 Portanto, o período de condução do diodo é:

=(2Vr/Vp)=[2/(fRC)] A carga ganha pelo capacitor no instante t é igual

àquela perdida no intervalo de descarga, ou seja:iCmedt =CVr

A corrente média que passa pelo capacitor é dada por:

iCmed=iDmed-iLmediDmed-IL

69

RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM FILTRO Assim,

iDmed=IL+CVr/t Substituindo que

2ft=(2Vr/Vp) E que

Vr=Vp/(fRC) Portanto,

iDmed=IL[1+(2Vp/Vr)] Pode-se mostrar que:

iDmax=IL[1+2(2Vp/Vr)]2iDmed

70

RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA COM FILTRO Para este caso, pode-se mostrar que:

Vr=Vp/(2fRC)IDmed=IL[1+(Vp/2Vr)]IDmax=IL[1+2(Vp/2Vr)]2IDmed

Como conclusão, para uma mesma ondulação, o capacitor neste caso pode ter a metade do valor daquele utilizado no retificador de meia onda. Além disso, a corrente que passa pelos diodos é a metade da corrente do caso meia-onda.

71

EXEMPLO 3.10

Considere um retificador de meia onda com:f=60 HzVp=100 VR=10 kVr=2 V

Obtenha C, a fração do ciclo em que o diodo conduz, o valor médio e o de pico da corrente que passa pelo diodo.

72

EXEMPLO 3.10 O capacitor pode ser obtido de:

C=Vp/(VrfR)=83,3 F O ângulo de condução pode ser calculado por:

=(2Vr/Vp)=0,2 rad A corrente média na carga é dada por:

IL=Vp/R=10 mA A corrente média e a máx podem ser calculadas

por:IDmed=IL[1+(2Vp/Vr)]=324 mAIDmax=IL[1+2(2Vp/Vr)]=638 mA

73

RETIFICADORES IDEAIS

74

CARACTERÍSTICA DE TRANSFERÊNCIA DE UM LIMITADOR

75

SENÓIDE APLICADA A UM LIMITADOR

76

CIRCUITOS LIMITADORES

77

CIRCUITO GRAMPEADOR OU RESTAURADOR DE DC

78

CIRCUITO DOBRADOR DE TENSÃO

79

JUNÇÃO PN

Um diodo semicondutor é composto da união de 2 materiais semicondutores:

silício tipo p silício tipo n

80

JUNÇÃO PN

81

SILÍCIO INTRÍNSECO

Um cristal de silício puro tem uma estrutura atômica regular em que cada átomo compartilha os 4 elétrons da banda de valência.

As ligações entre os átomos de silício são denominadas ligações covalentes.

Na temperatura ambiente, alguns elétrons conseguem se libertar através da ionização térmica, incidência de luz, ou campo elétrico, rompendo a ligação covalente.

82

SILÍCIO INTRÍNSECO

Como resultado, o átomo passa a ter carga positiva.

Por sua vez, esta carga positiva pode atrair outros elétrons livres.

Esta união preenche a lacuna positiva que havia no átomo ionizado e é denominada recombinação.

83

SILÍCIO INTRÍNSECO

Deste modo, temos elétrons e lacunas como portadores de cargas movendo-se pelo cristal.

A lacuna tem carga positiva e valor igual à do elétron.

A ionização térmica produz concentrações iguais de elétrons e lacunas.

84

TAXA DE RECOMBINAÇÃO E DE IONIZAÇÃO A taxa de recombinação depende do números de

elétrons e lacunas livres, que por sua vez, depende da taxa de ionização.

Em equilíbrio térmico a taxa de recombinação é igual à taxa de ionização.

O número de elétrons e lacunas livres é igual entre si:

n=p=ni

onde ni representa a concentração para o silício puro.

85

CONCENTRAÇÃO DE PORTADORES Do estudo da física de semicondutores,

mostra-se que:ni=BT3exp(EG/kT)onde B depende do material comB=5,410-31 port/K3/cm3 para o silício, EG é conhecido como largura de energia da faixa proibida com EG=1,12 eV para o silício ek=8,6210-5 eV/K é a constante de Boltzmann.

86

CONCENTRAÇÃO DE PORTADORES À temperatura ambiente T=300 K, temos

que:ni=1,51010 port/cm3

A concentração de átomos em um cristal de silício é de 51022 átomos/cm3.

Daí se entende perfeitamente porque o silício puro é um material semicondutor.

87

CORRENTE DE DIFUSÃO E DE DERIVA Existem 2 mecanismos de condução de

portadores em um cristal semicondutor:– difusão– deriva

A difusão ocorre pela concentração não-uniforme de portadores no cristal, como mostra a figura a seguir.

88

CORRENTE DE DIFUSÃO

89

CORRENTE DE DIFUSÃO Como os portadores movem-se sempre da maior

concentração para a menor, temos a densidade de corrente de difusão para as lacunas:

Jp=-qDpp/xonde Dp é a constante de difusão das lacunas.

E para os elétrons:Jn=qDn n/x

onde Dn é a constante de difusão dos elétrons. Para o silício puro Dp=12 cm2/s e Dn=34 cm2/s.

90

VELOCIDADE DE DERIVA O outro mecanismo de movimento dos portadores

deve-se à ação de um campo elétrico, e é denominado deriva.

As velocidades de deriva para as lacunas e elétrons são dadas por:

vderiva,p=pEvderiva,n=-nE

onde p e n são denominadas mobilidade das lacunas e elétrons, respectivamente, que para o silício intrínseco valem p=480 cm2/Vs e n=1350 cm2/Vs.

91

CORRENTE DE DERIVA As correntes de deriva para as lacunas e elétrons

são dadas por:Ideriva,p=qp pEAIderiva,n=qn nEA

A corrente total é a soma das correntes anteriores, ou seja:

Ideriva=q(pp+nn)EA Finalmente, existe a relação de Einstein dada por:

Dp/p=Dn/n=VT

92

SEMICONDUTORES TIPO N

Considere um cristal de silício intrínseco dopado com um elemento pentavalente, como o fósforo.

Ao se ligar com o silício da rede cristalina, o fósforo doa um elétron livre.

As impurezas de fósforo são denominadas doadoras.

A dopagem de um cristal intrínseco com o fósforo forma um silício do tipo n.

93

SEMICONDUTORES TIPO N

Se a densidade de átomos doadores for ND, então a densidade de elétrons livres em um silício tipo n é dada por:nn0ND

Da física de semicondutores, em equilíbrio térmico:nn0pn0=ni

2

ou seja a densidade de lacunas diminui, por conta da densidade de elétrons ter sido aumentada.

94

SEMICONDUTORES TIPO P

Considere um cristal de silício intrínseco dopado com um elemento trivalente, como o boro.

Ao se ligar com o silício da rede cristalina, o boro dá origem a uma lacuna, ou seja aceita um elétron livre.

As impurezas de boro são denominadas aceitadoras.

A dopagem de um cristal intrínseco com o boro forma um silício tipo p.

95

SEMICONDUTORES TIPO P

Se a densidade de átomos aceitadores for NA, então a densidade de lacunas livres em um silício tipo p é dada por:pp0NA

Da física de semicondutores, em equilíbrio térmico:np0pp0=ni

2

ou seja a densidade de elétrons diminui, por conta da densidade de lacunas ter sido aumentada.

96

JUNÇÃO PN EM ABERTO

Considere uma junção pn em aberto, Pelo fato de a concentração de elétrons ser

grande na região n e baixa na região p, existe uma difusão de elétrons através da junção para o lado p.

Do mesmo modo, existe uma difusão de lacunas para o lado n.

Esta difusão de portadores deixa a descoberto cargas fixas positivas no lado n e negativas no lado p.

97

JUNÇÃO PN EM ABERTO

98

REGIÃO DE DEPLEÇÃO

Esta região livre de portadores é denominada região de depleção.

A região de depleção dá origem a um campo elétrico que tende a se opor à passagem dos portadores através da junção.

Por outro lado, elétrons e lacunas minoritárias gerados termicamente na região de depleção dos lados p e n, respectivamente, atravessam a junção.

99

TENSÃO INTERNA DE UMA JUNÇÃO PN No equilíbrio,

ID=IS

ou seja, a corrente de difusão é igual à de deriva.

Pode-se mostrar que a tensão desenvolvida em uma junção pn é dada por:V0=VTln(NAND/ni

2)onde 0,6V00,8 V é também denominado potencial de contacto.

100

LARGURA DA REGIÃO DE DEPLEÇÃO A largura da região de depleção, tanto no

lado p, quanto n, depende da carga em cada lado, ou seja:qxpNAA=qxnNDA

Que pode ser simplificada paraxpNA=xnND

Da física de dispositivos:Wdep=xn+xp=[2(1/NA+1/ND)V0/q]onde =1,0410-12 F/cm é a permissividade do silício.

101

JUNÇÃO PN REVERSAMENTE POLARIZADA Colocando-se uma tensão reversa VR entre

os terminais do diodo, temos que a região de depleção aumenta, pois mais lacunas do lado p serão repelidas pelo positivo da bateria, e vice-versa.

A corrente de difusão ID diminui, como conseqüência do aumento da tensão na região de depleção.

102

JUNÇÃO PN REVERSAMENTE POLARIZADA

103

JUNÇÃO PN REVERSAMENTE POLARIZADA Além disso, a corrente de deriva é

independente da tensão de barreira. Portanto,

I=IS-IDIS

a corrente em uma junção reversamente polarizada é devido a portadores gerados por ionização térmica, que é bastante pequena.

104

CAPACITÂNCIA DE DEPLEÇÃO A região de depleção forma uma

capacitância. A carga armazenada já foi deduzida

anteriormente,qJ=qN=qNDxnA

Além disso, de equações anteriores, podemos escrever que:xn=WdepNA/(NA+ND)

105

CAPACITÂNCIA DE DEPLEÇÃO Portanto,

qJ=qNANDAWdep/(NA+ND)ondeWdep=[(2/q)(1/NA+1/ND)(V0+VR)]

A carga pode ser reescrita como:qJ=[2qNANDA2(V0+VR)/(NA+ND)]

A relação entre qj e VR não é linear. Do ponto de vista de pequenos sinais,Cj=qj/VR

106

CAPACITÂNCIA DE DEPLEÇÃO

107

CAPACITÂNCIA DE DEPLEÇÃO E portanto

Cj=Cj0/(1+VR/V0)

ondeCj0=[(q/2)A2NAND/(NA+ND)/V0]

108

JUNÇÃO PN NA REGIÃO DE RUPTURA Considere uma junção pn excitada com uma

fonte de corrente I>IS, conforme a figura a seguir.

Existem 2 mecanismos possíveis de ruptura:– Efeito zener: ocorre ruptura para VR<5 V.– Efeito de avalanche: ocorre ruptura para VR>7

V.

109

JUNÇÃO PN NA REGIÃO DE RUPTURA

110

EFEITO ZENER E DE AVALANCHE A ruptura zener ocorre quando o campo

elétrico é capaz de quebrar uma ligação covalente.

A ruptura por avalanche ocorre quando os portadores minoritários ganham do campo elétrico energia cinética suficiente para quebrar ligações covalentes. Os portadores liberados por este processo produzem outras colisões ionizantes.

111

JUNÇÃO PN COM POLARIZAÇÃO DIRETA Considere uma junção PN polarizada

diretamente com uma fonte de tensão externa. A fonte externa consegue neutralizar a barreira

de potencial proporcionada pelas cargas fixas, que além de diminuir a região de depleção, faz com que portadores majoritários consigam passar pela junção.

Os portadores majoritários tornam-se minoritários ao chegar ao outro lado da junção.

112

JUNÇÃO PN COM POLARIZAÇÃO DIRETA

113

DISTRIBUIÇÃO DE PORTADORES MINORITÁRIOS A figura a seguir ilustra a distribuição de

portadores minoritários. A distribuição de lacunas no lado n é grande

próxima da junção e vai diminuindo devido à recombinação com os elétrons, e é dada por um perfil exponencial negativo:pn(x)=pn0+[pn(xn)-pn0]exp[-(x-xn)/Lp]onde 1Lp 100 m é denominado comprimento de difusão.

114

DISTRIBUIÇÃO DE PORTADORES MINORITÁRIOS

115

JUNÇÃO PN COM POLARIZAÇÃO DIRETA Além disso,

Lp=(Dpp)

onde 1p10.000 ns é o tempo de vida das lacunas.

Da física de semicondutores temos a lei da junção, que diz que a concentração próxima da junção é muito maior que longe da junção:pn(xn)=pn0exp(V/VT)

116

JUNÇÃO PN COM POLARIZAÇÃO DIRETA A corrente de difusão, devido ao perfil pn(x):

Ip=-qADpp/xIp=(qADppn0/Lp)[exp(V/VT)-1]exp[-(x-xn)/Lp]/Lp

A corrente no lado n é constante, pois existe a corrente devido aos elétrons. A corrente na borda da região de depleção vale:

Ip=qADppn0[exp(V/VT)-1]/Lp

In=qADnnp0[exp(V/VT)-1]/Ln

117

JUNÇÃO PN COM POLARIZAÇÃO DIRETA A corrente total é dada por:

I=qA(Dppn0/Lp+Dnnp0/Ln)[exp(V/VT)-1] Usando que pn0=ni

2/ND e np0=ni2/NA, temos:

I=IS[exp(V/VT)-1]

ondeIS=qAni

2[Dp/(NDLp)+Dn/(NALn)]

118

CAPACITÂNCIA DE DIFUSÃO Existe um excesso de cargas que precisa ser

eliminada, em caso de mudança de tensão:Qp=Aqxn

[pn(x)-pn0]dxQp=AqLp[pn(xn)-pn0]

Substituindo que pn(xn)=pn0exp(V/VT) e que Ip=qADppn0[exp(V/VT)-1]/Lp, temos que:Qp=Lp

2Ip/Dp

ou aindaQp=pIp

119

CAPACITÂNCIA DE DIFUSÃO A carga total é dada por:

Q=pIp+nIn Esta carga pode ser escrita em termos da corrente

total:Q=TI

onde T é denominado tempo médio de trânsito. Para pequenos sinais:

Cd=Q/VCd=(T/VT)I

120

CAPACITÂNCIA DE DEPLEÇÃO Para polarização direta, usa-se a seguinte

regra prática:Cj2Cj0

121

MODELO DE DIODO PARA ALTAS FREQÜÊNCIAS No modelo de um diodo para pequenos

sinais e altas freqüências deve se incluir as capacitâncias de depleção e de difusão, onde:

Cd=(T/VT)ID

Cj=Cj0/(1+VD/V0)m para VD<0

Cj2Cj0 para VD>0

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MODELO DE DIODO PARA ALTAS FREQÜÊNCIAS

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DIODOS ESPECIAIS

Diodo Schottky: é formado pela junção de um metal (anodo) com um semicondutor tipo n. Como característica exibem tensão de condução de 0,3 V. São muito rápidos em utilizados em chaveamento.

Varactores ou Diodos Capacitivos: Dispositivos que trabalham reversamente polarizados e que são otimizados para apresentar uma grande variação de capacitância em função da tensão.

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DIODOS ESPECIAIS

Fotodiodos: Trabalham reversamente polarizados. A incidência de fótons em uma junção PN produz um par elétron-lacuna na região de depleção, responsável pela fotocorrente.

Diodos Emissores de Luz (LEDs): Realiza a função inversa dos fotodiodos. Trabalha diretamente polarizado. Portadores minoritários em difusão podem se recombinar com portadores majoritários o que pode produzir um fóton em materiais como o arseneto de gálio.