Circuitos Elétricos e Sistemas Digitaisjmfigueiredo/CESD/PPT_CESDi… · Como veremos mais tarde os circuitos digitais são implementados com elementos não- lineares (díodos e,

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFCircuitos Elétricos e Sistemas Digitais

2019-2020 - 1.º Semestre

Díodos e aplicações • Semicondutores intrínsecos e semicondutores extrínsecos • Junções p-n; característica corrente-tensão de uma junção p-n • Díodo de junção pn• Modelos lineares do díodo: Díodo ideal, díodo ideal em serie com uma queda de tensão

(bateria), díodo ideal em serie com uma queda de tensão (bateria) e uma resistência • Circuitos detectores de pico• Circuitos de fixação de nível • Circuitos limitadores • Circuitos multiplicadores de tensão • Implementação das funções lógicas E e OU usando díodos • Circuitos retificadores: retificação de meia onda e de onda completa • Díodo de Zener; regulação de tensão • Díodo (de efeito de) túnel e díodo de efeito de túnel ressonante • Díodos emissores de luz (LEDs) e díodos laser• Fotodíodo e célula solares.

135CESDig 2018/2019JF

As figuras apresentadas neste slides são na sua maioria retiradas do manual Electronics Fundamentals: Circuits, Devices &Applications, By Thomas L Floyd, David Buchla Pearson New International Edition (8e).

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFElementos e circuitos não-lineares

136

Até agora foram estudados circuitos lineares. Contudo, há várias funções que só podem serdesempenhadas por elementos/circuitos não-lineares.

Os exemplos incluem a geração de uma corrente directa a partir de uma corrente alternada,bem como de outras formas de onda.

O elemento não-linear mais simples e fundamental de um circuito não linear é o díodoretificador, baseados num junção entre materiais semiconductores com propriedadesdistintas, designada junção p-n.

Tal como uma resistência, um díodo tem dois terminais. Porém, e ao contrário de umaresistência que apresenta uma relação/caraterística corrente-tensão linear, o díodoapresenta uma característica I-V não-linear; quando em franca condução a característicatensão-corrente de um díodo retificador é exponencial.

Como veremos mais tarde os circuitos digitais são implementados com elementos não-lineares (díodos e, principalmente, transístores).

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2019-2020 - 1.º Semestre

Díodos e aplicações

137CESDig 2018/2019 08-11-2019JF 08-11-2019

O díodo semicondutor é um elemento ou componente elétrico/eletrónico semicondutor (geralmente implementado em de silício ou germânio) com contactos óhmicos em cada uma das suas extremidades. Num díodo em franca condução a corrente tem o sentido do ânodo para o cátodo.

Símbolo do díodo

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFSímbolos de diferentes tipos de díodos

… e ainda temos o laser de díodo, o díodo de efeito de túnel, etc. etc.

08-11-2019 138

Símbolo do díodo

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFDíodo semicondutor

139

O díodo semicondutor é um elemento ou componente elétrico/eletrónico semicondutor (geralmente implementado em de silício ou germânio) com contactos óhmicos em cada uma das suas extremidades.

Num díodo em franca condução a corrente tem o sentido do ânodo para o cátodo.

Quando em franca condução o díodo apresenta ao seus terminais uma queda de tensão de, aproximadamente, 0,3 V (se for de germânio) e 0,7 V (se for de silício).

Entre outras aplicações é usado como retificador de corrente elétrica, como é exemplificado na figura abaixo: aplica-se ao díodo uma tensão sinusoidal de amplitude VP.

Num díodo ideal a corrente apenas pode ter o sentido do ânodo para o cátodo, e quando está em condução a diferença de potencial aos seus terminais (i.e. a ddp entre o ânodo e o cátodo) é zero.

Se a ddp entre o ânodo e o cátodo for menor que zero, o díodo não permite a passagem de corrente, comportando-se como um circuito aberto.

CORRENTE

VPDíodo ideal

VP VPDíodo ideal

VD=0 V: o díodo conduz

VD<0 V ⇒ o díodo não conduz

VD

VD: tensão aos terminais do díodo

08-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJF 140

Modelo do díodo ideal: o díodo como interruptorNum díodo ideal a corrente apenas pode ter o sentido do ânodo para o cátodo, e quando está em condução a diferença de potencial aos seus terminais (i.e. a ddpentre o ânodo e o cátodo) é zero.

Se a ddp entre o ânodo e o cátodo for menor que zero, o díodo não permite a passagem de corrente, comportando-se como um circuito aberto.

08-11-2019


Modelo prático do díodo: díodo ideal em série com a tensão de condução (VD0)

Tensão de condução(díodo feitos de silício)

Um díodo real em franca condução é percorrido por uma no sentido do ânodo para o cátodo, e quando em franca condução a diferença de potencial aos seus terminais (i.e. a ddp entre o ânodo e o cátodo) é praticamente constante – tensão de condução (~ igual a 0,7 V se for de silício). Se a ddp entre o ânodo e o cátodo for menor que 0 V, o díodo comporta-se como um resistência elevada, comportando-se, na prática, como um circuito aberto. Se a ddp estiver compreendida entre 0 V e 0,7 V o díodo comporta-se, na prática, como uma resistência muito elevada não “deixando” passar corrente.

VD,B: tensão aos terminais do díodo

08-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFDíodo real – díodo de silício

142

Um díodo real em franca condução é percorrido por uma no sentido do ânodo para o cátodo, e quando em franca condução a diferença de potencial aos seus terminais (i.e. a ddp entre o ânodo e o cátodo)é praticamente constante (igual a 0,7 V se for de silício).

Se a ddp entre o ânodo e o cátodo for menor que 0 V, o díodo comporta-se como um resistência elevada, comportando-se, na prática, como um circuito aberto. Para se a ddp estiver compreendida entre 0 V e 0,7 V (no caso de díodos de silício), o díodo comporta-se como uma resistência cujo valor vai diminuindo à media que a ddp se aproxima de 0,7 V (no caso de díodos de silício).

VD>0

VD<0

08-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJF

= − 1

=

T=300 K

VT=26 mV

n~1,5 - 2

143

= − 1

F: forward; R: reverse

D: diode/direct “D=F”

Curva característica da corrente-tensão (I-V) de um díodo quando polarizado diretamente (VD,B,F>0)


VD,B,F: tensão aos terminais do díodo

08-11-2019


rDVD0

Modelo de pequeno sinal de um díodo

díodo idealVD0~0.7 V

rD=(2kBT/e)/ID=(2VT)/ID

Modelo linear do díodo, incluindo a tensão de condução (VD0,B0,F0), a resistência diferencial de polarização direta, e resistência de

polarização inversa.



08-11-2019


A curva característica de um díodo semicondutor pode ser representada por funções de transferência com diferentes graus de aproximação:

Díodo ideal - interruptor: assume que a queda de tensão aos terminais do díodo e a resistência do díodo são ambas iguais a zero quando em condução; e que o díodo se comporta como um aberto (resistência infinita) quando polarizado inversamente. (linha azul)

VR VF

IF

IR

Reverse bias

Forward bias

Um modelo ainda mais realista, assume que o modelo anterior (queda de tensão NÃO NULA, e resistência em condução NÂO NULA; quando polarizado inversamente, comporta-se como um circuito aberto. (linha verde)

Um modelo mais realista, bastante prático assume que o díodo quando em condução se comporta como uma queda de tensão no sentido da corrente em série com uma resistência nula; quando polarizado inversamente, comporta-se como um aberto. (linha vermelha)

0.7 V

Modelos da característica I-V de díodos de junção pn

145


O que é e como funciona uma junções p-n?

15-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFEstrutura de um díodo, símbolo, circuito com um díodo.

147

VBIAS é tensão de alimentação, e VB0,D0,F0 é a tensão de condução.

Semicondutor do tipo p

Polarização direta: VA > VK, i.e., Vp > Vn

V+ −

V >0 VV <0 V

08-11-2019

Semicondutor do tipo n

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFRevisão de semicondutores

08-11-2019 148

Diagramas representando as distribuição eletrónica nos átomos de silício e de germânio.

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFRepresentação 2D das ligações covalente no silício cristalino

(o silício natural forma um cristal tridimensional, com estrutura cubica de faces centradas)

08-11-2019 149

https://pt.wikipedia.org/wiki/Sil%C3%ADcio

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFDiagrama das bandas de energia do silício cristalino puro a zero kelvin

(não há eletrões ilvres na banda de condução)

08-11-2019 150

Entre as bandas de energia formadas pelos níveis de energia permitidos, há níveis de energia não permitidos. Esses níveis de energia não permitidos formam os hiatos de energia.

O hiato entre a banda de condução e a banda de valência tem particular relevância na definição de muitas das propriedades elétricas e óticas dos materiais semicondutores.


Entre as bandas de energia formadas pelos níveis de energia permitidos, há níveis de energia não permitidos. Esses níveis de energia não permitidos formam os hiatos de energia.

Os estados permitidos de maior energia formam a banda de condução, onde os eletrões se comportam como se fossem partículas quase livres.

Nucleus

First band

Second band

Valence band

Conduction band

Hiato de energia

Energy gap

Energy gap

Energy

A banda de energia imediatamente abaixo da banda de condução designa-se banda de valência, e corresponde à energia dos eletrões envolvidos nas ligações covalentes (no caso dos semiconductores elementares).

Hiato de energia (“bandgap”) em semicondutores

08-11-2019 151

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFQuanto à condutibilidade elétrica os materiais podem ser:

Dielétricos, semiconductores e condutores

08-11-2019 152

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJF 08-11-2019 153

Pares-eletrão lacuna

A agitação térmica dos iões da rede cristalina ou radiação podem originar a criação de pares-eletrão lacuna: um eletrão na banda de condução (que se pode mover) e um eletrão em falta na banda de valência (que se comporta como uma partícula de carga positiva, designada lacuna, vazio ou buraco)

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFCorrente eletrónica e corrente de buracos/vazios/lacuna

À temperatura ambiente, a agitação térmica provoca a transição de alguns eletrões da banda de valência para a banda de condução, deixando um buraco na banda de valência.

Estes eletrões e vazios são livres de se moverem nas respetivas bandas. Sob a ação de uma tensão/campo elétrico originam a corrente eletróncia e a corrente de lacunas.

Valence band

Conduction band

Energy gap

Energy

Heat energy

Electron-hole pair

08-11-2019 154

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFCorrente eletrónica e corrente de buracos/vazios/lacuna

Os eletrões na banda de condução e os vazios na banda de valência comportam-se como portadores de carga. Isto é, a corrente na banda de condução é devida ao movimento dos eletrões, e a corrente na banda de valência é devida ao movimento dos vazios.

Na verdade a corrente de vazios na banda de valência corresponde ao movimento de eletrões de vazio para vazio, criando assim a corrente de vazios, como mostra as setas na figura.

Si Si Si

Free electron

08-11-2019 155

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFCorrente de vazios no silício intrínseco

(i.e., silício não dopado)

08-11-2019 156

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJF 08-11-2019 157

Num cristal semicondutores os pares eletrões-lacuna estão continuamente a ser criados e destruídos. Após algum tempo

alguns eletrões livres recombinam-se com as lacunas.

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFSemiconductores extrínsecos. Impurezas. Dopagem de semicondutores.

Impurezas dopantes aceitadores e dopantes dadores

08-11-2019 158


Adicionando certos átomos (impurezas) ao silício puro (intrínseco) podem ser criados mais eletrões ou mais vazios no cristal.

Para aumentar o número de vazios na banda de valência são usadas impurezas (átomos) trivalentes, formando um cristal de silício tipo p.

Para aumentar o número de eletrões na banda de condução são usadas impurezas (átomos) pentavalentes, formando um cristal de silício tipo n.

Si

B

Al

Ga

P

As

Sb

Ge

C

Sn

NIII IV V

In

08-11-2019 159

Semiconductores extrínsecos. Impurezas.Dopagem de semicondutores e dopantes aceitadores e

dopantes dadores

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFFormação de uma junção pn

Para a formação de uma junção p-n pode-se partir, por exemplo, de um material tipo n.

Se doparmos esta porção da esquerda, inicialmente tipo n, com impurezas do 3.º grupo da tabela periódica,

obtemos uma região tipo p, e entre as duas forma-se uma junção pn, que é a “zona ativa do díodo”.

12-11-2019 160

Banda de condução

Banda de valência

Diagrama de bandas antes da formação da junção:Diagrama de bandas após a formação da junção:

Banda de condução

Banda de valência

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFFormação da região de depleção e da barreira da potencial

numa junção pn.

161

Diagrama de bandas após a formação da junção:

12-11-2019


Junção pn não polarizada

12-11-2019

0 V

Diagramas de bandas da junção pn

Banda de condução

Banda de valência

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFJunção polarizada diretamente

Forward-bias connection

Quando uma junção pn é polarizada diretamente (a região p esta a um potencial superior à região n), a junção é atravessada por uma corrente que depende da diferença de tensão entre os lados p e n, e das características da junção.

A fração da tensão aplicada VBIAS que aparece aos terminais da junção facilita passagem de eletrões do lado n para o lado p, e de vazios do lado p para o lado n, reduzindo a barreira de potencial existente através da junção, dando origem à corrente que atravessa a junção no sentido de p para n.

Quando a tensão aplicada é suficiente para anular a barreira de potencial que os eletrões e as lacunas enfrentam na passagem do lado n para o lado p, e do lado p para o lado n, respetivamente, diz-se que o díodo/junção está em franca condução.

Nas junções de silício esse valor corresponde a V=V0~0.7 V.

p-region n-region

p n

R

A aplicação de uma tensão direta faz diminuir a largura da região de depleção, e diminuir a barreira de potencial que o portadores de carga têm que transpor.

12-11-2019 163

+ −VBIAS

V >0 V+ −


Junção pn polarizada diretamente(Forward-bias connection)

A resistência limita a corrente direta, de forma a prevenir que o díodo seja destruído. A resistência de um díodo quando em franca condução é baixa (tipicamente alguns ohms)

IFIF

Polarizar diretamente a junção p-n: aplicar uma diferença de potencial positiva entre o lado p e o lado n, i.e., colocar o lado p a um potencial superior ao lado n, origina uma corrente direta que percorre o díodo na direção do ânodo (lado p) para o cátodo (lado n).

12-11-2019 164

V >0 V+ −


= − 1

=

T=300 K

VT=26 mV

n~1,5 - 2

12-11-2019 165

= − 1



Curva geral da característica corrente-tensão (I-V) de um díodo: Polarização direta (VD>0)


CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFJunção polarizada inversamente

Reverse-bias connection - Reverse biasPolarizar inversamente a junção p-n é aplicar uma diferença de potencial negativa entre o lado p e o lado n, i.e., colocar o lado p a um potencial inferior ao lado n, origina uma corrente inversa muito pequena (corrente de saturação) que percorre o díodo do lado n (cátodo) para o lado p (ânodo).

A polarização inversa “afasta” os eletrões de condução e os vazios da zona da junção, aumentado a altera da barreira de potencial, dificultando ainda mais a passagem de corrente. A junção atua efetivamente comum um isolador. Apenas um número reduzido de eletrões e de vazios consegue difundir-se através da junção, criando uma pequeniníssima corrente inversa (também conhecida como corrente de saturação ou corrente de fuga).

Um díodo polarizado inversamente atua na prática como um isolador, até que seja atingida uma dada tensão, designada tensão de rutura. Quando esta tensão é atingida a corrente inversa aumenta muito rapidamente com a tensão, e se não for limitada acabo por destruir o díodo.

p-region n-region

p n

+−VBIAS

R

A polarização inversa provoca o alargamento da região de depleção.

12-11-2019 166

Vr


= − 1

=

T=300 K

VT=26 mV

n~1,5 - 2

12-11-2019 167

= − 1



Curva geral da característica corrente-tensão (I-V) de um díodo


Um díodo polarizado inversamente atua na prática como um isolador, até que seja atingida uma dada tensão, designada tensão de rutura.

Polarização direta

Polarização inversa

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFDíodo de junção pn

Esquemas e diagramas de bandas da junção pn

Não polarizada (VD=0 V) polarizada diretamente (VD>0 V) polarizada inversamente (VD<0 V)

12-11-2019 168

Banda de condução

Banda de valência


Um díodo polarizado inversamente atua na prática como um isolador, até que seja atingida uma dada tensão, designada tensão de rutura. Quando esta tensão é atingida a corrente inversa aumenta muito rapidamente com a tensão, e se não for limitada acabo por destruir o díodo.

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFTraçar/visualizar a característica corrente-tensão de um

díodo de junção pn usando um osciloscópio

16915-11-2019


Análise de circuitos com díodos

15-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFCaracterística Corrente-Tensão de uma Junção p-n de Si

171

() ≅ & exp

η))− 1 ,com & ∝ exp −

D0η)

A curva característica típica de um díodo de junção p-n apresenta três regiões distintas:- região de polarização direta (VD >0)- região de polarização inversa (VD <0)- região de ruptura ou avalanche (VD ≤-VR)VR: Tensão de ruptura

No 1º quadrante da característica I-V, a corrente é dada,aproximadamente, por:

ID

VD (V)1.0

-50-100

0.5 1.5

zona de avalanche(rutura)

zona de bloqueio

zona de franca condução

20 mA

10 mA

-1nA

-3 nA

-100 mA

30 mA

VD0

VR

No 3º quadrante da curva I-V, têm-se I=-IS,

enquanto VD|<|VR| (IS,Si=1 nA; IS,Ge=1 µA).

Tangente=1/rD(V)

η∼1 − 2

15-11-2019


Junção não polarizada ou polarizada inversamente, mas afastada da tensão de rutura.

15-11-2019 172

Junção polarizada diretamente com VF<0,7 V

Junção polarizada diretamente (VF~0,7 V).

Ilustração da operação do díodo

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFCircuitos com díodos

173

Na análise de circuitos com díodos podem-se considerar vários graus de aproximação ao comportamentodo díodo real. Numa primeira abordagem pode-se considerar o modelo do díodo ideal; para maioraproximação à realidade considera-se, de seguida, o modelo do díodo ideal em série com uma bateria(que representa a queda de tensão do díodo quando em franca condução, que depende apenas domaterial de que é feita a junção); pode também incluir-se a resistência diferencial do díodo; por fim podeconsiderar-se o modelo gráfico: trança-se a reta de carga do circuito e a curva do díodo. O ponto deinterceção da reta de carga coma curva do díodo dá-nos o ponto de funcionamento do díodo, isto é, acorrente que o percorre e a tensão aos seus terminais.

VD

ID

Ânodo(emissor)

Cátodo(colector)

ID

+ -

polarizaçãoinversa

polarizaçãodirecta

VD

VD<0, ID=0:ID>0, VD=0: - ++ -

Modelo do díodo IDEAL

+10 V

ID=10 mA

+- VD=0 V

-10 V

ID=0 mA

-+ VD=10 V

resistênciamuito elevada (infinita)

R=1 kΩR=1 kΩ

ID

Símbolo do díodo

15-11-2019

resistênciamuito pequena (zero)


Modelo aproximado de um díodo de junção p-n: quando em condução comporta-se como um díodo ideal emsérie com uma queda de tensão igual a VD0:

VD0díodo ideal

VD0~0.7 V

1 kΩ

8 V

5 V1 kΩ

8 V5 V

díodo idealVD0

~0.7 V⇔V

I

VD0

Exemplo:

rDVD0

Modelo de pequeno sinal (linear) de um díodo de junção p-n: comporta-se como um díodo ideal, emserie com uma queda de tensão VD0 e uma resistência:

díodo ideal

VD0~0.7 V

1 kΩ

8 V5 V ⇔

1 kΩ

8 V

5 V

díodo idealVD0

~0.7 V rDV

I

VD0

1/rD

Exemplo:rD=(2kBT/e)/ID

=(2VT)/IDID

IDID

ID

IDID≅(5+8-0,7)/(1k+4,6)

=12,2 mA

ID≅(5+8-07)/1k=12,3 mA

rD≅2VT/ID=56 mV/12,3 mA=4,6 Ω.

No que se segue, admite-se que, quando em condução, o díodo apresenta aos seus terminais uma quedade tensão constante e igual a 0,7 V, podendo ou não ter-se em conta a sua resistência dinâmica.

Análise de circuitos com díodos: modelos aproximados do díodo

15-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFExercícios

175

Determinar as correntes e as tensões aos terminais dos díodos. Considere que quando em condução a tensão aos terminais do díodo é 0,7 V.

15-11-2019


176

Considere os circuitos da figuras abaixo. Verificar

se o valor indicado pelo voltímetro está correto.

15-11-2019

Determinar a tensão nos pontos A, B, C e D

relativamente à terra /comum. Considere que

quando em condução a tensão aos terminais do

díodo é 0,7 V.


Circuitos com díodos e condensadores

15-11-2019

• Circuitos detetores de pico e aplicações

• Circuitos de fixação de nível

• Circuitos limitadores

• Circuitos multiplicadores de tensão

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFCircuito Detetor de Pico

178

vi C

Díodo ideal

vCvi, vo

t

vivo

15-11-2019

O condensador não tem por onde descarregar.

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFCircuito Detetor de Pico

179

Rvi C

Díodo ideal

vC

v0

v0

t

VP vr=VP-VCminv0

vi

R=∞ ΩR

2 =3

4=

·

4

15-11-2019

Tensão de ripple

vi C

Díodo ideal

vC

v0

v0

t

VP

vi

V0

Resistência variável O condensador descarrega através de R.

O condensador carrega através do díodo.

O condensador não tem por onde descarregar.

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFRetificação de meia de onda com filtro capacitivo

18015-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFTensão de ondulação no retificador com filtro capacitivo

18115-11-2019

2 =3

4=

·

4

Tensão de ripple (ondulação)

Regra de ouro prática: para obter uma filtragem efetiva devemos fazer RLC igual ou superior a 10 vezes o período T da onda a retificar: 674 ≥ 10 × .

I: corrente; T: período da onda

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFRetificação com Filtragem – Desmodulador

182

vi

t

Vp

v0

t

Vp

Onda sinusoidal de alta frequênciamodulada por um sinal de áudio

Sinal de áudio à saída do detetor de pico

Rvi C

Díodo ideal

vC

v0

v0

t

VP vr=VP-VCminv0

vi

R=∞ ΩR

15-11-2019

Desmodulador (detetor da envolvente)


Circuitos limitadores

15-11-2019


Limiting circuits

RL

R1Vout

D

Vin

0 V 0 V

0.7 V


18415-11-2019

RL

R1Vout

D

Vin

−0.7 V

0 V

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFCircuitos limitadores básicos com díodos

Basic diode limiters

18515-11-2019


RL

R1Vout

D

Vin

0 V

Limiting circuits


?

18615-11-2019


Circuitos fixadores de nível

15-11-2019


Vp(in) − 0.7 V

Vin Vout

+

0 V

0 V

RL

−C

D

Diode conducts

Clamping circuits

Circuitos fixadores de nível - positivo

18815-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFCircuitos fixadores de nível - positivo

18915-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFCircuitos fixadores de nível - negativo

190

Negative clamping circuits

15-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFCircuitos fixadores de nível

19115-11-2019

Exercício: Traçar a tensão aos terminais da carga para os circuitos abaixo. Visualizar no PSPICE


Multiplicador de Tensão

15-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFDuplicador e Multiplicador de Tensão

193

Se o conjunto, com as devidas adaptações, for colocado em cascata, a tensão é

sucessivamente aumentada.

D1

C1D2

V0=2Vp

vi

VpC2

15-11-2019

Da combinação dos circuitos fixador de nível e detetor de pico, obtém-se um

circuito que duplica da tensão de pico.

vi CDíodo ideal

vC

vo

Vout

0 V

V0=2Vp

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFDuplicador e Multiplicador de Tensão

194

Se o conjunto, com as devidas adaptações, for colocado em cascata, a tensão

à saída é sucessivamente aumentada (em módulo).

D1

C1D2

Vo= -2Vp

vi

VpC2

15-11-2019

Da combinação dos circuitos fixador de nível e detetor de pico, obtém-se um

circuito que duplica da tensão de pico.


Implementação de funções e portas lógicas usando díodos e transístores

19-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFExemplos de sinais digitais

196

5 V

0 V

5 V

0 V

5 V

0 V

5 V

0 V

5 V

0 V

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFImplementação das funções E e OU usando díodos

(como iremos ver, E e OU são duas operações elementares em eletrónica digital/sistemas digitais)

19719-11-2019

Em eletróncia digital/sistemas digitais as tensões nas entradas e nas saídas só podem estra compreendidas

em duas gamas de tensão correspondentes aos valores lógicos ZERO (BAIXO, FALSO) e UM (ALTO,

VERDADEIRO): “ZERO”, 0.V e <0.8 V; “UM”, 2.4 V e 5 V.

R=5 kΩ

VCC=5 V

D1

D2

A

B

Z

Seja a função E com duas entradas A e B, e a saída Z:

A(V) B(V) Z

0 0 0

1 0 0

0 1 0

1 1 1

A(V) B(V) Z(V)Valor lógico

0 0 0.7 0

5 0 0.7 0

0 5 0.7 0

5 5 5 1

Tabela de verdade da função E

Seja a função OU com duas entradas A e B, e a saída Z:

Tabela de verdade da função OU

A(V) B(V) Z

0 0 0

1 0 1

0 1 1

1 1 1

A(V) B(V) Z(V)Valor lógico

0 0 0 0

5 0 4.3 1

0 5 4.3 1

5 5 4.3 1R=1Ω

D1

D2

A

BZ

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFImplementação da função NÃO com transístores

198

A (bit) VZ(V) Z

0 5 V 1

1 0 V 0A

VCC(=5 V)

RZ

ZA

Transístores bipolares npn e pnp: em qualquer deles IE = IC + IB.

19-11-2019

Não é possível implementar a porta não usando díodos de junção pn.

Para implementar portas NÃO baratas e eficientes são usados

transístores: dispositivos semicondutores bipolares que tiram partido

do comportamento dos portadores de carga (eletrões e lacunas – dai

a designação bipolar) em junções p-n adjuntas. Existem dois tipos de

transístores bipolares: transístor npn e transístor pnp

VCE=VCC - RCIC

IB

IE

ICIBIE IC

IBIE IC

Símbolo da porta NÃO

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFImplementação da função NÃO com transístores

19919-11-2019

Consideremos que a tensão aplicada à base do transístor base VBB (que representará a entrada da porta

NÃO) é 0 V.

Consideremos agora que a tensão aplicada à base VBB do transístor é tal que VCE = VCC - RCIC < 0.8 V.

Transístor em corte:(a) circuito e(b) modelo simplificado.

Transístor na saturação:(a) circuito e(b) modelo simplificado.

5 V 5 V

5 V5 V

5 V5 V

5 V = “1”

0 V = “0”

0 V = “0”

5 V = “1”

Entrada 0 saída 1

Entrada 1 saída 0

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFCircuitos integrados que executam as funções E e OU

200

Existem três funções lógicas básicas:

porta NÃO (NOT; INVERSORA), a porta OU (OR), e a porta E (AND).

19-11-2019

Circuitos integrados da família TTL (transistor – transistor logic) com portas NÃO, E e OU

A operação de circuitos com portas digitais é descrita usando Álgebra de Boole.

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFPrincipais portas lógicas da família TTL

201

Família TTL (transistor – transistor logic)

19-11-2019

NÃO-E NÃO-OU NÃO E

NÃO-E E NÃO-E E

NÃO-OU NÃO-E OU OU-Exclusivo


Retificação de sinais

15-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFRetificação de meia onda e de onda completa

20315-11-2019

Retificação de meia onda

Retificação de onda completa

Valor médio do sinal retificado em meia ondaAverage value of the half-wave rectified signal.

Valor médio do sinal retificado em onda completa

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFRetificação de meia onda

D

D

RL

RL

+ −

− +

15-11-2019 204

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFRetificação de meia onda

15-11-2019 205

Valor médio do sinal retificado em meia onda

Average value of the half-wave rectified signal.

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFEfeito da tensão da barreira de potencial VD0

15-11-2019 206

0 V0 V


Peak inverse voltageTensão inversa de pico

15-11-2019 207

A tensão inversa de pico deve ser inferior à tensão de rutura

(breakdown).

PIV: peak inverse voltage

PIV: peak inverse voltage

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFRetificação de onda completa

20815-11-2019

Valor médio do sinal retificado onda completa

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFRetificador de onda completa com dois díodos

20919-11-2019


Ponte retificadora com quatro díodos

19-11-2019


F

D1

D2RL

D3

D4

Ponte retificadora com 4 díodos

21119-11-2019

Sentido convencional da corrente

Valor médio do sinal retificado em onda completa

2 =3

4=

·

24

2 =3

4=

·

4

Tensão de ondulação (ripple)(ver slide 181)

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFOperação de uma ponte retificadora

21219-11-2019

Sentido real da corrente(sentido do deslocamento do eletrões)

+

-

-

+


213

R =1 kΩ

D1

D2

5.7 V

Z

3.3 V

Calcule a tensão nos pontos A, B, e Z dos circuitos, e indique quais os díodos em condução. Considere VD0=0.7 V e rD=0 Ω.

R=4.3 kΩ D1

D2

5 V

AB

Explique como se obtém a característica corrente-tensão de um díodo em polarização direta com amontagem da figura.

Sol:

R=1 kΩ

VCC=10 V ±10%

VD1

R=1 kΩ

V0RL

VD2

VD3

O conjunto dos três díodos em série no circuito ao lado garante uma tensão de 2.1 V,aos seus terminais. Determine RD, a variação percentual da tensão regulada, em abertoe com uma carga de 1 kΩ, quando a tensão de alimentação varia ±10%.

Sol:I=(VCC-2.1)/R=7,9 mA, RD=VT(293 K)/I=6,3 Ω; R3D=18,9 Ω. A resistência dos 3 díodos e R formam umdivisor de tensão. A variação da tensão ∆V0 devido a ∆VCC é 1×18,9/(1000+18,9)=18,5 mV (0,9%).

Quando se liga a carga, a corrente através dos díodos decresce de 2,1 mA, resultando numdecréscimo da tensão aos terminais dos 3 díodos ∆V0=-2,1 mA×18,9=-39.7 mV, ou 13,2 mV por díodo.

22-11-2019

Floyd 5ªEd, Fig. 16-7 (13)

R: VZ=5 VR: VD1=0.7 V, VB=0 V


Determine a corrente ID e a tensão aos terminais do díodo VD? Tome VD0=0.65 V, rD=20 Ω, e R=1 kΩ.

R

VDD5 V

VD

Explique o funcionamento do circuito. Determine a tensão aos terminais de RL. Assuma VD0=0.7 V e rD=0 Ω.

Sol: V0=23.6 V.

RLvo

D1

D2

D3

D4

025 V

-25 V

Vin

Floyd 5ªEd, Fig. 17-18

ID R: =;<

=>2= 4.26mA

= B + D = 0.735V

Sedra & Smith 3ªEd, Fig. 3.10, 3.14

Considere o circuito abaixo. O que é queespera observar no osciloscópio? Assumaque a base de tempo permite visualizar umciclo e meio. Tome VD0=0.7 V e rD=0 Ω.

Sol: ver figura ao lado

10 V RL1 kΩ

RS=100 Ω

Floyd 5ªEd, Fig. 17-29

-0.7 V

9.09 VVRL

21422-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFRetificação de sinais com filtragem e regulação

21522-11-2019

Objetivo: Vout = VDC constante

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFRetificação de meia de onda com filtragem

21622-11-2019

Regra de ouro prática: para obter uma filtragem efetiva devemos fazer RLC igual ou superior a 10 vezes o período T da onda a retificar: 674 ≥ 10 × .

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFRetificação de sinais com regulação

21722-11-2019

Fator de ondulação

Objetivo: Vout = VDC constante

Riple/ondulação Vout = VDC constante2 =3

4=

·

24


Díodo de Zener

15-11-2019

Zener diodes – used for establishing a reference voltage

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFCurva I-V de um díodo Zener

219

Símbolo do díodo Zener

IZID

IZ

15-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFCaracterística do díodo Zener comparada com o díodo normal

220

Símbolo do díodo de ZenerSímbolo do díodo retificador

ID

ID ID

IZ

15-11-2019

IZ

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFCircuitos equivalentes de um díodo Zener

221

IZIZ

15-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFCaraterística do díodo Zener na região de polarização inversa.

22215-11-2019

=IZmin

=IZmax

Um díodo Zener polarizado inversamente na tensão de Zener, VZ, pode ser usado como regulador de tensão

se a corrente que o percorre for superior a um dado valor, IZmin, e inferior um valor máximo IZmax,(para não

destruir o díodo), definidos aquando da fabricação.

Vz tensão de Zener, IZT corrente quando V = Vz.

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFRegulação de tensão usando um díodo Zener

223

Consideremos o valor mínimo de corrente: 4 mA Consideremos agora o valor máximo de corrente: 40 mA

Um díodo Zener polarizado inversamente na tensão de Zener, Vz, pode ser usado como regulador de tensão

se a corrente que o percorre for superior a um dado valor, IZmin, e inferior um valor máximo IZmax,(para não

destruir o díodo), definidos aquando da fabricação.

Exemplo: Seja um díodo Zener que assegura uma tensão constante de 10 V (Tensão de Zener, VZ) aos seus

terminais se a corrente que o percorre estever compreendida entre 4 mA e 40 mA. No caso do circuito

abaixo, qual será o intervalo de tensão que ele pode regular?

22-11-2019

VINmax=VINmin=

=IZmin

=IZmax

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFRegulação de tensão usando um díodo Zener

224

VIN

VINmaxVINmin

Exemplo de fonte de tensão dc com díodo Zener

220 V ac

VDC=10 V

VDC

10:1 12 Vdc


Fontes de tensão dc com reguladores de tensão integrados

22-11-2019

Normalmente usam-se reguladores de tensão integrados (circuitos integrados, CI), que são capazes de proporcionaruma tensão constante e regulável entre o terminal de saída e o terminal comum, à entrada e à saída, dependendo dainteração com o circuito exterior.

Um conjunto de reguladores de uso geral é a série de reguladores 78XX, onde XX representa os valores da tensão de saída(XX V). Por exemplo, o regulador 7815 apresenta na sua saída uma tensão de 15 V. Em geral, a atenuação da ondulação(ripple) é bastante elevada, várias dezenas de dB. Estes dispositivos estão protegidos internamente contra curto-circuitos esobrecargas.

As características destes dispositivos podem ser consultadas em catálogos de eletrónica linear (assim como as de outroselementos lineares). Nos catálogos são fornecidas, pelos fabricantes, sugestões de circuitos de aplicação.

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFReguladores de tensão integrados

The 7800 series regulador

226

Objetivo: Vout

Fator de ondulação

22-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFFontes de tensão de 5 V

22722-11-2019

220 V ac

CI regulator

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFFonte de tensão variável (de 1.25 V a 6.5 V).

22822-11-2019

220 V ac


Díodo de efeito de túnel (usados para gerar micro-ondas, até ~10 GHz)

Ligações metal-semicondutor: Díodos Schottky e contactos óhmicos

LEDs (Light-emitting diodes) used in displays

Fotodíodos (Photodiodes, PDs) – used as light sensors

Díodos com funcionalidades específicas

15-11-2019 229

Um díodo rectificador consiste numa junção semicondutora p-n. Para além de poder

funcionar como um díodo rectificador, a junção p-n é a base de muitos outros componentes

electrónicos e optoelectrónicos de estado sólido, incluindo os transístores, díodos

emissores de luz (LDs), fotodíodos, e díodos laser.

Díodos varactor (Varactor diodes) – used as variable capacitors


Díodo túnel(díodo de efeito de túnel)

15-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFDíodo de efeito de túnel

231

https://www.tutorialspoint.com/sinusoidal_oscillators/sinusoidal_tunnel_diode_oscillator.htm

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Electronic/tundio.html#c1

Região de condutância diferencial negativa

Prémio nobel da Física, 1973

15-11-2019

Caraterística corrente-tensão

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFPrincípio de funcionamento do díodo túnel

Num díodo a região p do semiconductor atua como ânodo e a região natua como cátodo. Numa junção pn a região de depleção (região onde nãohá cargas elétricas (eletrões ou lacunas livres) moveis) atua como umabarreira que se opõe ao fluxo de eletrões do lado n e de lacunas do lado p,para os lados p e n respetivamente. A largura da região de depleçãodepende da densidade de impurezas adicionadas na dopagem.Num díodo túnel o grau de dopagem é muito elevado, e a região dedepleção fica muito estreita, permitindo que os eletrões passemdiretamente da banda de condução do lado n para a banda de valência dolado p, por efeito de túnel (um fenómeno apenas explicado pelafísica/mecânica quântica). Isto é, num díodo túnel, os eletrões fluemdiretamente através da região de depleção da banda de condução do ladon para a banda de valência do lado p, ao contrário do que acontece numdíodo normal, onde os eletrões de condução estão sempre na banda decondução.O díodo túnel ou díodo Esaki é uma junção pn fortemente dopada, em quea corrente é maioritariamente devida ao processo de condução de eletrõespor efeito de túnel, e a característica I-V apresenta uma região onde umaumento de tensão aplicada leva a uma diminuição de corrente – regiãode condutância (resistência) diferencial negativa.O díodo túnel é um dispositivos muito rápido, sendo por isso usado emosciladores e em amplificadores de alta frequência (GHz). Estesdispositivo foi inventado por Leo Esaki, em 1958. (Leo Esaki recebeu oprémio Nobel da Física, em 1973, por ter descoberto o fenómeno detransporte de eletrões por efeito de túnel.)

23215-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFComo funciona um díodo túnel

233

Junção p-n “normal” Junção p-n “de efeito de túnel”

15-11-2019


234

Se a tensão aplicada for superior à altura da barreira de potencialpassa a dominar a componente da corrente correspondente à dajunção pn clássica.

Se o díodo túnel for usado na região da curva I-V em que apresentacondutância (resistência) diferencial negativa o díodo pode ser usadocomo um amplificador ou um oscilador de alta frequência (até algunsgigahertz).

Região de condutância diferencial negativa

https://www.tutorialspoint.com/sinusoidal_oscillators/sinusoidal_tunnel_diode_oscillator.htm

15-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFOscilador de díodo túnel (até ~10 GHz)

235

https://www.tutorialspoint.com/sinusoidal_oscillators/sinusoidal_tunnel_diode_oscillator.htmhttp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Electronic/tundio.html#c1

Região de condutância

diferencial negativa

15-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFEfeito de túnel

236

Tunelamento quântico (ou efeito túnel) é um fenómeno da mecânica quântica no qual partículas podem transpor um estado de energia classicamente proibido. Isto é, uma partícula pode escapar de regiões cercadas por barreiras potenciais mesmo se a sua energia cinética for menor que a energia potencial da barreira. Existem muitos exemplos e aplicações para os quais o tunelamento tem extrema importância, podendo ser observado no decaimento radioativo alfa, na fusão nuclear, na memória Flash, no díodo túnel e no microscópio de corrente de tunelamento (STM).[1]

https://pt.wikipedia.org/wiki/Tunelamento_qu%C3%A2ntico

15-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFEfeito de túnel

237

Ver, por exemplo, https://physicsopenlab.org/2017/05/30/tunnel-effect/

15-11-2019


O díodo túnel ou díodo Esaki é uma junção pn fortemente dopada, emque a característica I-V apresenta uma região onde um aumento detensão aplicada leva a uma diminuição de corrente – região decondutância (resistência) diferencial negativa. Num díodo túnel acorrente é maioritariamente devida ao processo de condução de eletrõespor efeito de túnel (um fenómeno explicado pela física/mecânicaquântica).O díodo túnel é um dispositivos muito rádio, sendo por isso usado emosciladores e em amplificadores de alta frequência. Estes dispositivo foiinventado por Leo Esaki, em 1958. (Leo Esaki recebeu o prémio Nobelda Física, em 1973, por ter descoberto o fenómeno de transporte deeletrões por efeito de túnel.)Num díodo túnel a região p dosemiconductor atua como ânodo e a região n atua como cátodo. Numdíodo túnel, os eletrões fluem diretamente através da região de depleçãoda banda de condução do lado n para a banda de valência do lado p.Numa junção pn a região de depleção (região onde não há cargaselétricas (eletrões ou lacunas livres) moveis) atua como uma barreiraque se opõe ao fluxo de eletrões do lado n e de lacunas do lado p, paraos lados p e n respetivamente.A largura da região de depleção depende da densidade de impurezasadicionadas na dopagem. Num díodo túnel o grau de dopagem é muitoelevado, e a região de depleção fica muito estreita, permitindo que oseletrões passem diretamente da banda de condução do lado n para abanda de valência do lado p.

23815-11-2019


239

Nos díodos de junção comuns, a corrente é significativaapenas quando a tensão aplicada é igual à altura da barreirade potencial entre o lado p e n, aproximadamente equivalentea 0,7 V para doídos de silício.Nos díodos túnel uma tensão bastante inferior à altura dabarreira é suficiente para produzir uma corrente significativa,porque os eletrões não precisam de subir a barreira depotencial, passando, por efeito de túnel, diretamente da bandade condução do lado n para a banda de valência do lado p.

15-11-2019


Junções Metal-Semicondutor: barreiras de Schottky e contactos óhmicos

(Ligações metal-semicondutor: Díodos Schottky e contactos óhmicos)

15-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFJunções metal-semicondutor:

barreiras de schottky e contactos óhmicos

241

Em geral, o contacto entre um metal e um semicondutor não éóhmico, exibindo um comportamento semelhante ao de uma junçãop-n (ver figura ao lado). Neste caso o contacto designa-se porcontacto ou barreira de Schottky e o dispositivo baseado nesteefeito designa-se por díodo schottky.

A queda de tensão, em condução, nestes díodos é cerca de metadeda de uma junção p-n. Estes dispositivos são muito mais rápidos doque o díodo retificador porque no processo de condução só intervêmos portadores maioritários (não há lugar à recombinação dosportadores minoritários).

Para a junção p-n ter aplicação prática, é necessário fazer a sualigação com um circuito exterior, i.e., obter duas junções metal-semicondutor (uma no lado n e outra no lado p).

Estas junções não devem alterar ou mascarar as propriedades dodispositivo SC em apreço. Por outras palavras, o contacto (junção)metal-semicondutor deve ter uma característica corrente-tensãolinear, i.e., o contacto deve ser óhmico. Claro que o metal a usardepende do material SC de que é feito o dispositivo.

I

V

Contato Schottky

I

V

Contato óhmico

15-11-2019


Díodo varactor(capacidade váriável)

15-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFDíodo varactor – capacidade variável com a tensão

24315-11-2019


Díodo emissor de luz (“Light Emitting Diode”, LED)

e díodos laser

15-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFLED: Light emitting diode

(díodo emissor de luz)

245

Símbolo de um LED.

15-11-2019

CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFAbsorção (espontânea), emissão espontânea e

emissão estimulada

15-11-2019 246


(a) The energy band diagram of a pn+ (heavily n-type doped) junction without any bias. Built-in potential Vo

prevents electrons from diffusing from n+ to p side.

(b) The applied bias reduces Vo and thereby allows electrons to diffuse, be injected, into the p-side. Recombination around the junction and within the diffusion length of the electrons in the p-side leads to photon emission.

Princípio básico de funcionamento de um díodo emissor de luz (Light Emitting Diode, LED)

15-11-2019 247


(a) The energy band diagram of a pn+ (heavily n-type doped) junction without any bias. Built-in potential Vo prevents electrons from diffusing from n+ to p side.

(b) The applied bias potential V reduces Vo and thereby allows electrons to diffuse, be injected, into the p-side. Recombination around the junction and within the diffusion length of the electrons in the p-side leads to spontaneous photon emission.

Princípio básico de funcionamento de um díodo emissor de luz (Light Emitting Diode, LED)

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CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFDíodo emissor de luz (Light Emitting Diode, LED)

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CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFLight-emitting diodes (LEDs)

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Potência ótica

Corrente injetada

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CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFCircuito com um LED

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Circuito com um LED

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Díodo laser

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CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFLuz comum vs luz laser

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• Luz “comum”

• Luz laser

Policromática IncoerenteMuitodivergente

Quasi-monocromática ()

Coerente ()

Pouco divergente ()

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(a) The energy band diagram of a degenerately doped pn with no bias. (b) Band diagram with a sufficiently large forward bias to cause population inversion and hence stimulated emission.

Laser de Díodo semicondutor

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A schematic illustration of a GaAs homojunction laser diode. The cleaved surfaces act as reflecting mirrors.

Laser de Díodo Semiconductor

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CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFO laser de díodo

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Materiais semicondutores

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CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFCorrente e potência ótica num laser de Díodo

Typical output optical power vs. diode current (I) characteristics and the corresponding output spectrum of a laser diode. Ith is the threshold current and corresponds to the

extension of the coherent radiation output characteristic onto the I-axis.

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CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFSemiconductor Laser Diodes

Top left: High power (0.5 – 7 W) CW laser diodes with emission at 805 nm and a spectral width of 2.5 nm. Applications include medical systems, diode pumped lasers, analytical equipment, illuminators, reprographics, laser initiated ordnance etc. Top right: Typical pigtailed laser diodes for telecom. These are Fabry-Perot laser diodes operating at peak wavelengths of 1310 and 1550 nm with spectral widths of 2 and 1.3 nm respectively. The threshold currents are 6 mA and 10 mA, and they can deliver 2 mW of optical power into a single mode fiber. Lower left: High power 850 and 905 nm pulsed laser diodes for use in range finders, ceilometers, weapon simulation, optical fuses, surveying equipment etc. (Courtesy of OSI Laser Diode Inc.)

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Fotodetetores

Fotodíodo

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CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFFotodíodo

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Si

InGaAs

Courtesy of Hamamatsu

Fotodíodo é um dispositivo semicondutor que converte luz em corrente elétrica. A corrente é gerada quando fotões são absorvidos no fotodíodo. As células solares convencionais, usadas para converter energia solar em energia elétrica, são fotodíodos com grande superfícies. O fotodíodo é um componente eletrónico e um tipo de fotodetetor. É uma junção pn designada para responder a uma entrada óptica. Os fotodíodos possuem uma "janela" ou uma conexão de fibra ótica, responsável por deixar a luz passar e incidir na parte sensível do dispositivo.

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JF/DSO 2018-2019 24-10-2018 PDs 262

Absorção de luz pelos materiais

Luz azul (maior energia, menor comprimento de onda)

Luz vermelha (menor energia, maior comprimento de onda)

I(x) = I0exp(–αx)Io: intensidade da luz para x=0

I0

I0

I0

x0

α: coeficiente de absorçãoδ = 1/a = profundidade

de absorção

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CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFGeneral graph of reverse current versus

irradiance for a photodiode.

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Irradiância

Fotocorrente

A fotocorrente Iph aumenta linearmente com a iluminação

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CESDig & CEletro 2018/19 - Elect. Fundamentals Floyd & Buchla © Pearson Education. © Trustees of Boston UniversityJFComo é que o díodo funciona?

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http://webpages.ciencias.ulisboa.pt/~jmfigueiredo/aulas/How_does_a_Diode_work.mp4

How_does_a Diode_work.mp4

https://www.youtube.com/watch?v=JNi6WY7WKAI

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Circuitos Elétricos e Sistemas Digitaisjmfigueiredo/CESD/PPT_CESDi… · Como veremos mais tarde os circuitos digitais são implementados com elementos não- lineares (díodos e,