O diodo ideal

Diodos: elemento de circuito não-linear mais simples e fundamental.

símbolo

Característica i-v

(c) Circuito equivalente na polarização reversa; (d) Circuito equivalente na polarização direta

Modelo equivalente: polarização direta e reversa

Característica i-v: não-linear

Característica i-v ideal: não-linear, mas linear por partes.

Terminal positivo: anodo

Terminal negativo: catodo.

Os dois modos de operação de diodos ideais e o uso de um circuito externo para limitar a corrente direta e a tensão reversa.

Uma aplicação simples: o retificador Retificador: pode ser utilizado para gerar um sinal

cc a partir de um sinal ca.

(b) Valor médio (ou componente cc) nulo.

(e) Valor médio (ou componente cc) finito não-nulo.

(a) Circuito retificador

(c) Circuito equivalente quando vI 0.

(d) Circuito equivalente quando vI 0.

Exercícios Exercício 3.1: Determine a curva característica de

transferência vo vi do circuito da figura anterior item (a).

Exercício 3.2: Determine a forma de onda de vD.

Exemplo 3.1: A figura abaixo mostra um circuito para o carregamento de uma bateria de 12V. Se vs é um sinal senoidal com 24 V de amplitude máxima, determine a fração de cada ciclo em que o diodo está conduzindo. A seguir, determine o valor de pico da corrente do diodo e a tensão reversa máxima que surge nos terminais do diodo.

Exemplo 3.1

Exemplo de aplicação: Portas lógicas com diodo

Diodos e resistores podem ser utilizados para implementar funções lógicas.

Considere um exemplo em lógica positiva: 0V 0 lógico; 5V 1 lógico. Entradas: vA, vB e vc. Que função lógica é realizada por cada circuito?

Exemplo: Diodos ideais Assumindo que os diodos são ideais, encontre os valores de I

e V nos circuitos da figura abaixo.

Exemplo: Diodos ideais (2) Procedimento a ser adotado: (1) assumir um comportamento

plausível; (2) proceder com a análise; (3) checar se a solução obtida é plausível.

1a suposição: D1 e D2 estão conduzindo

VB = 0 e V = 0

ID2 = (10 – 0) / 10 k= 1 mA

Equação do nó:

B: I + 1 mA = (0 – (-10) ) / 5 k

I = 1 mA

D1 está conduzindo, conforme assumido originalmente, e o resultado final é:

I = 1 mA e V = 0V.

Exemplo: Diodos ideais (3) Vamos adotar o mesmo procedimento.

1a suposição: D1 e D2 estão conduzindo VB = 0 e V = 0ID2 = (10 – 0) / 5 k = 2 mA

Equação do nó B: I + 2 mA = (0 – (– 10) ) / 10 k I = – 1 mA.

Como isto não é possível (por que?), nossa suposição inicial está incorreta.

Nova suposição: D1 está cortado e D2 está conduzindo.

ID2 = (10 – (– 10)) / 15 = 1,33 mA

Tensão no nó B: VB = – 10 + 101,33 = +3,3V

D1 está reversamente polarizado, conforme assumido, e o resultado final é I = 0A e V = 3,3V.

Exercício 3.4 Determine os valores de I e V nos circuitos a seguir.

Características terminais de diodos de junção – característica i v

Características terminais de diodos de junção – característica i v (2)

Características terminais de diodos de junção – característica i v (3)

3 regiões distintas:

1. A região de polarização direta (v > 0)

2. A região de polarização reversa (v < 0)

3. A região de avalanche (breakdown) (v < - VZK)

1- A região de polarização direta: tensão terminal v é positiva.

Nesta região, a relação i v pode ser aproximada por:

1 / TnVvs eIi

Região de polarização direta

IS : corrente de saturação reversa (ou corrente de escala: corrente diretamente proporcional à seção transversal da área do diodo).

• Para diodos de pequenos sinais (aplicações de baixa potência): IS 10 – 15 A

• IS : varia fortemente em função da temperatura.

(IS dobra de valor a cada aumento de 5oC na temperatura, aproximadamente).

VT: tensão térmica (constante):

k: constante de Boltzmann = 1,3810-23 J/KT: temperatura absoluta em Kelvin = 273 + temperatura em oCq: magnitude da carga do elétron = 1,6010-19 C

1 / TnVvs eIi

qkT

VT

Região de polarização direta (2)

À temperatura ambiente (20oC), VT = 25,2 mV.

• Para análises aproximadas rápidas, vamos utilizar VT

25 mV à temperatura ambiente (em 25oC, VT 25,8 mV)

n (constante): para um diodo, 1 n 2. Em geral, vamos assumir n = 1 (em CIs; n = 2 em componentes discretos)

i >> IS :

1 / TnVvs eIi

sT

nVvs I

inVveIi T ln /

Região de polarização direta (3)

Considere a relação i v na equação anterior:

corrente I1 correspondendo a uma tensão no diodo V1:

corrente I2 correspondendo a uma tensão no diodo V2:

sT

nVvs I

inVveIi T ln /

TnVVs eII /

11

TnVVs eII /

22

1

212

/)(

1

2 ln12

II

nVVVeII

TnVVV T

Região de polarização direta (4)

Para uma mudança de uma década (um fator de 10) na corrente, a queda de tensão no diodo varia de um fator de 2,3nVT

n = 1 60mV ; n = 2 120mV (curva característica:

gráfico semilog: v (linear) i (log) linha reta com

inclinação de 2,3nVT por década de corrente).

Sem o conhecimento de n: inclinação de 0,1V/dec costuma ser utilizada.

1

212

1

212 log 3,2 ln

II

VnVVII

nVVV TT

Região de polarização direta (5) Da curva característica i v : corrente muito pequena para

tensões menores do que 0,5V tensão de joelho do diodo (conseqüência da relação exponencial entre i e v ).

Diodo diretamente polarizado em “condução total”: queda de tensão entre 0,6 e 0,8 V, aproximadamente custuma-se utilizar 0,7V em modelos de diodos (de silício).

Diodos com diferentes correntes nominais de operação (ou seja, com áreas diferentes e, conseqüentemente, IS diferentes), exibirá esta queda de 0,7V em diferentes correntes.

Diodos de pequenos sinais: 0,7V em i = 1mA

Diodos de alta potência: 0,7V em i = 1A.

Exemplo 3.3 Um diodo de silício de 1mA possui uma queda de tensão

direta de 0,7V na corrente de 1mA. (a) Avalie a constante de escala de junção IS no caso de se ter n = 1 ou n = 2. (b) A seguir, determine que constantes de escala seriam aplicáveis para um diodo de 1A do mesmo fabricante que conduz 1A com 0,7V.

TT nVvs

nVvs eiIeIi //

(a) Para o diodo de 1mA:

• n = 1: AAeiIs151625/7003 10109,6 10

• n = 2: AAeiIs91050/7003 10103,6 10

(b) Diodo conduzindo 1A com 0,7V: corresponde a 1000 diodos de 1mA em paralelo, com uma área de junção 1000 vezes maior IS é 1000 vezes maior, 1pA e 1A para n = 1 e n = 2, respectivamente. O valor de n é importante!

A característica i-v e a temperatura

IS e VT são funções da temperatura a característica i-v direta varia com a temperatura.

Para uma corrente constante no diodo a queda de tensão em seus terminais decresce de aproximadamente 2mV para cada aumento de 1oC na temperatura.

A região de polarização reversa

Polarização reversa: v < 0

Se v < 0 e maior do que VT o termo exponencial da expressão da corrente no diodo torna-se desprezível comparado à unidade i – IS : a corrente de polarização reversa é

constante e igual a IS corrente de saturação reversa.

Em diodos reais: a corrente de saturação reversa > IS .

A corrente de saturação reversa aumenta um pouco com o aumento da tensão de polarização reversa. Corrente de saturação reversa: proporcional à área da junção (assim como IS ).

Dependência com a temperatura: a corrente de satuação reversa dobra para cada aumento de 10oC na temperatura, aproxim. (IS dobra para cada aumento de 5oC na temperatura).

1 / TnVvs eIi

Exercício 3.9 O diodo no circuito da figura abaixo é um dispositivo grande e

de elevada corrente cuja corrente de polarização reversa é razoavelmente independente da tensão aplicada. Se V = 1V a 20oC, determine o valor de V a 40oC e a 0oC.

Resposta: 4V; 0,25V.

A região de avalance (breakdown) O diodo entra nesta região de condução quando a magnitude

da tensão reversa ultrapassa um valor limite específico para o diodo em particular: tensão de avalanche (tensão de “joelho” na polarização reversa): VZK

Nesta região, a corrente reversa aumenta rapidamente, sem que haja um aumento significativo da tensão associada.

A operação nesta região não é necessariamente destrutiva, contanto que a potência dissipada no diodo seja limitada por um circuito externo a um nível seguro (especificado no datasheet do fabricante).

Tensão reversa praticamente constante: EFEITO ZENER

Operação física de diodos – Semicondutores

http://www.comp.ufla.br/~giacomin/Com145/Diodo_semicond.pdf

As propriedades elétricas dos semicondutores são afetados por variação de temperatura, exposição a luz e acréscimos de impurezas.

Silício e germânio: estrutura monocristalina; na indústria eletrônica: elevado grau de pureza – uma parte para dez bilhões (1:1010).

Semicondutores – Estrutura cristalina http://www.comp.ufla.br/~giacomin/Com145/Diodo_semicond.pdf

http://ece-www.colorado.edu/~bart/book/book/chapter2/ch2_2.htm

Silício e germânio: monocristais – estrutura diamante (ligações covalentes)

Estrutura cristalina do silícioFONTE: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/sili2.html

Posicionamento de átomos de silício em uma célula unitária – padrão diamante.

Cristal semicondutor com ligações covalentes.

Semicondutores – Níveis ou bandas de energia

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/sili.html#c3

Silício e germânio: 4 elétrons de valência – modelo atômico de Bohr:

Semicondutores – Níveis ou bandas de energia (2)

http://ece-www.colorado.edu/~bart/book/book/chapter2/ch2_3.htm

Bandas de energia da estrutura diamante constante do reticulado cristalino:

Bandas de energia do (a) germânio, (b) silício e (c) arseneto de gálio.

Semicondutores – Diagrama de bandas simplificado http://ece-www.colorado.edu/~bart/book/book/chapter2/ch2_3.htm

Energia da banda de condução (mínima)

Energia da banda de valência (máxima)

Energia do elétron livre (fora do cristal)

Energia do “gap”

: afinidade eletrônica

q: carga do elétron

Leituras adicionais

http://www.comp.ufla.br/~giacomin/Com145/Diodo_semicond.pdf - Introdução ao estudo dos materiais semicondutores.

http://ece-www.colorado.edu/~bart/book/book/chapter2/ch2_1.htm - Chapter 2: Semiconductor fundamentals.

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/intrin.html – Semicondutor intrínseco (siga os demais links a respeito de semicondutores nesta página)

http://www.play-hookey.com/semiconductors/basic_structure.html - Basic semiconductor crystal structure