fundamentos de electrónica

Fundamentos de Electrónica

Díodos

Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 2

Roteiro

O Díodo ideal Noções sobre o funcionamento do Diodo

semicondutor Equações aos terminais Modelo de pequenos sinais


O Díodo Ideal

Um díodo consiste num dispositivo capaz de permitir a passagem de corrente num sentido e impedir no sentido oposto.

Vd

Id

+ -

corrente

ânodo

Id

Vd

aberto circuito - 0

fechado circuito - 0

d

d

V

V

Símbolo do díodo

Característica do díodo

cátodo


Modelo simplificado

Devido ao carácter exponencial da característica do Diodo Vd pode ser bem aproximado por 0.7V para um grande gama de valores de Is e correntes.

A resistência rd assume normalmente valores reduzidos

Id

Vd

0,7V

dr/1

Vv 7.0D Dr


Rectificador de corrente

Rectificador de onda completa

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 50 100 150 200 250

tempo (segundos)

Am

pli

tud

e

V110V 100Hz 0Deg

D1

R1

V110V 100Hz 0Deg

R1

1

2

4

3

D2

1B4B42

Rectidicador de Corrente

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 0,005 0,01 0,015 0,02

tempo (s)

Am

plitu

de

Nota: a massa na saída não é igual á massa na entrada


Fonte linear

Fonte com tensão DC de 5V e capaz de fornecer 25mV de corrente. Diodo de Zener tem 10 para Iz=20mA que necessita de uma corrente de cerca de 5mA para funcionar correctamente. Escolhendo uma tensão de pico no secundário de 12V de forma a distribuir cerca de 3V para oscilação no condensador, 3V para queda de tensão na resistência, e 1 V de queda de tensão nos diodos temos:

C1 = I t / V = (25mA+5mA) / 50 Hz / 3 V = 200uF

A resistência R2 deve ser suficientemente pequena para fornecer os 30mA à carga mas deve limitar ao máximo a corrente no zener (a 30mA) quando a carga é de impedância elevada e a tensão no condensador toma valores máximos, para limitar a potencia dissipado por este, ou seja devemos ter R2=3V/ 30mA= 100 . Mas este assunto não é inteiramente desta cadeira.

26:1Ajuste final num

programa de simulação

V1311.13V 50Hz

R1

0.5ohm T1

D1

D2

220 V rms

C1200uF

R2

100ohm D3 R3500ohm

A resistência R2 é responsável por perdas na fonte.


Fonte comutada

Um exemplo muito simples de uma fonte comutada (conversor AC/DC).

Sempre que o a tensão em C2 baixe dos 5V J1 liga e desliga quando subir acima dos 5V. O interruptor liga e desliga com

uma frequência elevada de forma a manter uma tensão continua de 5V na saída.

V1311.13V 50Hz

R1

0.5ohm T1

D1

D2

220 V rms

C1 R3500ohm

J1

C2


Aplicações

D1

R1

D2

D3D1

R1

D2

D3

5VVDD

Porta OR Porta AND

Circuitos limitadores

Multiplicador de tensão

Formatador de Seno

etc


A Junção p-n

Junção p-n É uma aproximação do diodo real. Constituída pela junção de dois materiais

semicondutores, tipo-p e tipo-n.

p n

Semicondutor tipo-p

Semicondutor tipo-n


A junção p-n em equilíbrio termodinâmico A junção dos dois semicondutores produz uma corrente de

difusão de electrões livres e de lacunas de tal forma que se forma uma barreira de potencial.

p n---

+++

+ -

VE

Diferença de potencial, V < 0

Campo eléctrico (E)

Potencial (V)

0x

Região de depleção

2ln

i

DATO n

NNVV

OV

NAND


A junção p-n em equilíbrio termodinâmico

Ap Np 0

A

ip N

nn

2

0

Campo eléctrico (E)

Potencial (V)

0x

0x

-+

Carga

Dno Nn

D

in N

np

2

0

Região de depleção - W

Vt

xv

nn epxp)(

0)(

np

)(xp

)(xn

x

E

Ex

V

Escala logarítmica


Região de depleção Devido à recombinação entre electrões e livres e

lacunas existe uma região em que a concentração destes está bastante abaixo do restante:

Região de depleção ou região de transição

p n---

+++

+ -

VE



Junção polarizada inversamente Polarização inversa

p n---

+++

- +

- +

Provoca o alargamento da região de depleção e o aumento da barreira de potencial, até bloquear a passagem da corrente.

Funciona como um condensador cuja carga é armazenada na região de depleção.


Junção polarizada directamente Polarização directa

p n---

+++

+-

+ -

Provoca o estreitamento da região de depleção e a diminuição da barreira de potencial. Facilita a passagem da corrente.


Equações aos terminais

1t

d

Vn

v

Sd eIi

nnn

ppp

DL

DL

saturação de

corrente SI

An

n

Dp

pis NL

D

NL

DnqAI 2

Caracteristca de um Diodo com Is=10e-14A

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Tensão (V)

Co

rre

nte

(A

) Vd~0,7V

Comprimento de difusão

Tempo de vida médio

mVq

TkVT 25


Região de disrupção

Se a tensão inversa aplicada a um díodo for muito forte dá-se um fenómeno de disrupção, segundo o qual o díodo passa a conduzir. Existem dois efeitos que podem dar origem á disrupção:

Efeito de Zener O campo eléctrico é suficientemente forte para gerar pares

electrão buraco na região de depleção. Resulta em díodos com esta região bem definida.

Efeito de Avalanche A energia cinética dos portadores minoritários sobe a

influência do campo eléctrico é suficiente elevada para quebrar as ligações covalentes.


Sensibilidade à temperatura

Vbe varia cerca de -2mV/Cº para valores semelhantes de Ic.


Característica do Díodo(com zona de disrupção)

0.7V

Tensão deDisrupção (Vz)

Disrupção

Id

Vd


A capacidade da junção(em polarização inversa) Largura variável da região de depleção:

O

R

jj

VV

CC

1

0Para pequenos sinais:

RODA

sdep VV

NNq

112

V

q jC

2ln

i

DATO n

NNVV

depsj AC /

A carga armazenada não é proporcional à tensão. De facto a tensão aumenta aproximadamente com o quadrado da carga.

11110 2

ODs

j VNNq

ACA


Modelo de pequenos sinais

D1

Vd

id(t)vd(t)

dDD vVv dDD iIi

Desde que: Dd Vv

Vd

vd(t)

Id

id(t)dr/1

D

Td I

Vnr


Modelo de pequenos sinais

dDD vVv dDD iIi

)(1 DVn

v

SD vfeIi t

D

Fórmula de Taylor

DDDDD VvVfVfi '

dt

D

t

Vn

v

S

D rVn

I

Vn

eI

Vf

t

D

11

'

ddDD rvIi / dDD vVv D

td I

Vnr

ddd rvi /


Análise de pequenos sinais (CA) Passos

Análise de grande sinais (CC- corrente continua) para calcular o Ponto de Funcionamento em Repouso, PFR (Id)

Cálculo dos parâmetros do modelos de pequenos sinais, rd.

Análise de pequenos sinais Anular as componentes de CC das fontes, ou seja remover as

fontes de corrente e curto circuitar as fontes de tensão. Substituir os componentes não lineares pelos seus

equivalente lineares para pequenos sinais Fazer uma análise do circuito resultante

Opcional: somar as componentes de pequenos sinais (CA) com as componentes CC.


Modelo de alta-frequência Capacidade da junção

Capacidade de difusãod

td I

Vnr

m

O

R

jj

VV

CC

1

0

02 jj CC

nnPP IIQ

IQ T IV

C T

Td

ppP DL


)(xp)(xnTipo-p Tipo-n

0pn 0np

px nxCarga armazenada

Polarização inversa Polarização directa

Rd Cj Cd


Circuitos limitadores

V212V

Circuito de clamping Duplicador de tensão

2Vpp


Díodos especiais Schottky-barrier díodo

Metal semicondutor tipo n Para dopagem elevada não se produz díodo (contactos ohmicos) Vd de 0.3 a 0.5V Muito utilizado em circuitos de Arseneto de Gálio (As-Ga)

Varactors Condensadores variáveis, coeficiente m=3, 4

Photodiodes Díodo polarizado inversamente Fotões incidentes na região de depleção geram pares electrão

lacunas que transportam corrente (sensores de luminancia) Polarização directa corresponde às células solares

LEDs A recombinação de pares electrões lacunas gera fotões Led+photodiodo = isolador óptico


Modelo SPICE

Corrente de Saturação IS10e-14

A

Coeficiente de emissão N 1

Resistência ohmica RS 0

Tensão intrinseca VJ 1 V

Capacidade da junção com polarização nula

CJ0

0 F

Coeficiente de gradiente

M 0,5

Tempo de transito TT 0s

Tensão de disrupção BV inf

Corrente inversa na saturação

IBV 1e-10A

RS

Cd

Id

-

+

Vd

SI

n

SR

OV

0JC

m

T

ZKV

ZKI

1t

d

Vn

v

Sd eIi

m

O

R

jd

T

TdD

VV

CI

VCCC

1

0j


Lei da junção

Vt

xv

nn epxp)(

0)(

Região de depleção - Wnp

)(xp

)(xn A

ip N

nn

2

0

D

in N

np

2

0

non

Vt

xv

pp enxn)(

0)(

O aumento da energia potencial das lacunas (com o aumento do potencial) implica uma diminuição da energia cinética destas e a diminuição do número

de lacunas


Cálculo da corrente aos terminais No fim da região de depleção

temos:Vt

v

nn

D

epp 0)0(

D

in N

np

2

0

0np)0(np

PL

Ap Np

e

11)( 0Vt

vL

x

nn

D

P eepxp

Como nesta zona só existe corrente de difusão (o campo eléctrico é nulo), temos que a componente da corrente devida às lacuna é dada por:

P

Vt

v

D

iP

nPp L

eN

nAqD

x

xpAqDi

D 11

)( 2

)0(vvD

Como a corrente de electrões ou de lacunas é aproximadamente constante ao longo da junção, juntando a corrente devida aos electrões livres fica:

12 Vt

v

NA

N

PD

PiD

D

eLN

D

LN

DnqAi

0

Regiãode

depleção


Cálculo da corrente aos terminais Notas:

Em regime estacionário (equilíbrio termodinâmico) temos Vd=0 e v(0)=0V e portanto pn(0)=pn0

Aplicar uma tensão aos terminais do díodo provoca uma diminuição de v(x) relativamente ao que se passa para a junção em equilíbrio termodinâmico, resultando v(0)=-Vd o que provoca um aumento de pn(0).

O campo eléctrico no exterior da junção é pequeno mas não será nulo devido à igualdade dos integrais de linha do campo pelo interior e pelo exterior da junção.

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