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Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodos♦ Dispositivos de material semicondutor (silício e germânio)♦ Normalmente descritos como interruptores: passam corrente
apenas numa direcção
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Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodos♦ Dispositivos de material semicondutor (silício e germânio)♦ Normalmente descritos como interruptores: passam corrente
apenas numa direcção♦ Aplicações: rectificadores, circuitos lógicos, reguladores de
tensão, sintonia em circuitos de rádio-frequência, etc.
3
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodos♦ Dispositivos de material semicondutor (silício e germânio)♦ Normalmente descritos como interruptores: passam corrente
apenas numa direcção♦ Aplicações: rectificadores, circuitos lógicos, reguladores de
tensão, sintonia em circuitos de rádio-frequência, etc.♦ Há díodos que emitem luz: LEDs (Light-Emitting-Diodes)♦ Há díodos que entram em condução quando lhes incide luz:
fotdíodos♦ Há díodos que são utilizados como condensadores de capacidade
variável.
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo ideal
+ -vD
iDânodo cátodo
00 => DD vi
00 =≤ DD iv
+ -0≤Dv
+ -0>Di
* Microelectronic Circuits, Sedra and Smith,
*
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo ideal
+vD
-
1 kΩ
iDVDD VDD +vD
-
1 kΩ
iD
kViV
iV
DDDDD
DDD
10
00
=≥
=≤
kViV
iV
DDDDD
DDD
10
00
=≤
=≥
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo ideal
+vD
-
1 kΩ
iDVDD VDD +vD
-
1 kΩ
iD
DDVDR
1
Di
DDV
k11
Di
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo ideal♦ Rectificador de meia-onda
vivo
+ vD -
* Microelectronic Circuits, Sedra and Smith,
* *
iv
1
ov
io vv =0=ov
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo ideal♦ Rectificador de meia-onda
vivo
+ vD -
* Microelectronic Circuits, Sedra and Smith,
* *
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo ideal♦ Função lógica
000100010110
YCBA
111011101001
VVA A 51 +=⇔=
VVA A 00 =⇔=
*
* Microelectronic Circuits, Sedra and Smith,
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo ideal♦ Função lógica
0000110010101110
YCBA
1111101111011001
VVA A 51 +=⇔=
VVA A 00 =⇔=CBAY ++=
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo ideal♦ Função lógica
000100010110
YCBA
111011101001
VVA A 51 +=⇔=
VVA A 51 +=⇔=
* Microelectronic Circuits, Sedra and Smith,
*
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo ideal♦ Função lógica
0000010000100110
YCBA
1111001101010001
VVA A 51 +=⇔=
VVA A 00 =⇔=CBAY ⋅⋅=
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo ideal♦ Rectificador de meia-onda: valor médio da tensão na saída diferente de zero
πoM
OVV =
∫==T
ooO dttvT
vV0
)(1
∫ ∫+=2/
0 2/
011T T
ToMO dt
TdttsenV
TV ω
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo ideal♦ Rectificador de meia-onda
vivo
+ vD -
CR
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo ideal
*
* Microelectronic Circuits, Sedra and Smith,
*
♦ Análise de circuitos com díodos
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo ideal♦ Rectificador de meia-onda (precisão)
+
-
voAvs
D
00 <⇒< os vv
so vvonD
=
00 =⇒> os vv
offD
superdíodoD offvD onv
s
s
0 0
<>
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo ideal♦ Rectificador de meia-onda (precisão)
so vvonD
=-
+ vo3
Avs vo2
R2
D
R1
00 <⇒> os vv
soo vRRvv
onD
1
232 −==
sos vvv =⇒< 0
soRR vviioffD =⇒== 321 0
Não há cc virtual (malha aberta)
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo ideal♦ Rectificador de meia-onda (precisão)
-
+ vo3
Avs
R2
vo2
D1
D2
R1
00 <⇒> os vv
soo vRRvv
onDoffD
1
232
2
1
−==
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo ideal
♦ Rectificador de meia-onda (precisão)
D1 assegura o funcionamento do ampop em malha fechada: v- = 0 e portanto v-=0
-
+ vo3
Avs
R2
vo2
D1
D2
R1
00 >⇒< os vv
00
2
3
2
1
=== −
o
o
vvvoffDonD
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
−= 1T
DnVv
SD eIi
*
* Microelectronic Circuits, Sedra and Smith,
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
♦ n depende do tipo de junção (abrupta ou gradual)
−= 1T
DnVv
SD eIi
21 == nn
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
♦ n depende do tipo de junção (abrupta ou gradual)
♦ VT tensão térmica
−= 1T
DnVv
SD eIi
21 == nn
qkT
VT =
( )CmVVT º2585,25=
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
♦ n depende do tipo de junção (abrupta ou gradual)
♦ VT tensão térmica
♦ k constante de Boltzman
−= 1T
DnVv
SD eIi
21 == nn
qkT
VT =
1231038,1 −−= JKk
( )CmVVT º2585,25=
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
♦ n depende do tipo de junção (abrupta ou gradual)
♦ VT tensão térmica
– k constante de Boltzman– q carga do electrão– T temperatura absoluta (ºK)
−= 1T
DnVv
SD eIi
21 == nn
qkT
VT =
1231038,1 −−= JKk
( )CmVVT º2585,25=
Asq 191060,1 −=
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
♦ IS corrente inversa de saturação♦ Valor de IS depende da área e da temperatura
−= 1T
DnVv
SD eIi SDD Iiv −=⇒−∞→
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
Vγ tensão de limiarDi
γV Dv
00 =⇒< DD iv
γVvi DD ≈⇒> 0
Di
γV Dv
Di
γV Dv
DR1
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
* Microelectronic Circuits, Sedra and Smith,
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
* Microelectronic Circuits, Sedra and Smith,
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real♦ Rectificador de meia-onda
vivo
+ vD -
R
*
Di
γV Dv
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
vivo
vγ
* *
γVvi ≥
Dio Vvv −=
ioDi vvVv ≈⇒>>
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real♦ Rectificador de meia-onda
vivo
+ vD -
R
*
Di
γV Dv
DR1
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
* *
γVvi ≥
vivo
vγ
R
RD
( )D
i RRRVvv+
−= γ0
DioD VvvRR −≈⇒>>
ioDiD vvVvRR ≈⇒>>>> ;
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
* *
γVvi ≥
vivo
γVvi <
vivo
vγ
R
RD
( )D
i RRRVvv+
−= γ0
vivo
+ vD -
R
Rectificador
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
* *
vivo
+ vD -
R
Exemplo
vivo
+ vD -
R
Díodo: Vγ = 0.65 V rD = 20 Ω
R = 1 kΩ
vi = 2 sen(2π103 t)
0.65 vi(V)
vo(V)
( )020.01
165.00 +−=
kkvv i
1020.01
1 ≈+k
k
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
vivo
+ vD -
R
Exemplo
vivo
+ vD -
R
t
vi,, vo
( )020.01
165.00 +−=
kkvv i
(V)
0,65 V2 V
1.35 V
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
* *
vivo
+ vD -
R
Exemplo
vivo
+ vD -
R
Díodo: Vγ = 0.65 V rD = 20 Ω
R = 100 Ω
vi = 2 sen(2π103 t)
0.65 vi(V)
vo(V)
( )20100
10065.00 +−= ivv
83.0
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
vivo
+ vD -
R
Exemplo
vivo
+ vD -
R
( )20100
10065.00 +−= ivv
t
vi,, vo (V)
2 V
1.12 V
( ) Vv 12.183.065.020 =×−=
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
* *
γVvi ≥
vivo
+ vD -
RγVVIM ≥
AV
VIMγ−≥
-
+ vo3
Avi 10k
10k
vo2
D1
D2
Rectificador
Rectificador de precisão
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
* *
Di
γV Dv
-
+ vo
Avi voA
D1
D2
R2
R1
∞≠A
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
♦ Quando o díodo D1 está em condução
-
+ vo
Avi
R2
R1 Vγ
voA
- +
AV
vvi oRγ−==⇒= −02
−= vvo
γVvvoA += −
D2 está cortado
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
♦ Díodo D1 em condução e D2 cortado, enquanto
-
+ vo
Avi
R2
R1 Vγ
voA
- +
AV
vvi oRγ−==⇒= −02
AV
viγ−<
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
♦ D2 em condução e D1 cortado
-
+ vo
Avs
R2
R1 Vγ
voA
−=
−=
=−+−
−
−−
γVvvA
vv
Rvv
Rvv
ooA
oA
oi 021
1RA
vvi
oAi
D
+=
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
♦ D2 em condução e D1 cortado enquanto
AV
VAA
vA
Vvv io
iγ
γγ −+−=
−> 2
2
AV
AAvi
γ−>
+ 2
211
AV
viγ−>
0>Di
-
+ vo
Avs
R2
R1 Vγ
voA
01
>−= −
Rvvi i
D
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real♦ D2 em condução
*
021
=+
++
RA
vv
RA
vv oAo
oAi
( ) ( ) γVARRR
RRvARRR
ARv io121
21
121
2
++++
++−=
021
=
−+
+
−+
RA
Vvv
RA
Vvv o
oo
iγγ
io vRRv
1
2−≈
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
*
* Microelectronic Circuits, Sedra and Smith,
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
*
* Microelectronic Circuits, Sedra and Smith,
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real
*
Di
γV Dv
−= 1T
DnVv
SD eIi
T
DnVv
SDSD eIiIi ≈⇒>> S
DTD I
inVv ln=
Di
γV Dv
I
1T 2T
21 TT >
CmVTvD /º2−=
∆∆
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo zener
* Microelectronic Circuits, Sedra and Smith,
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo zener
* Microelectronic Circuits, Sedra and Smith,
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo
vi vo
Díodo: Vγ = 0,65 V VΖ = 5,2 V
rD = 0 Ω rZ = 0 Ω
vi = 10 sen(2π103 t)
t
(V)
-0,65 V
5,2 V
Limitador
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo
vivo
Díodo de zener: Vγ = 0.65 V VΖ = 5.2 V
rD = 0 Ω rZ = 0 Ω
vi = 20 sen(2π103 t)
t
(V)
-5,85 V
5,85 V
Limitador
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Junção semicondutora
♦ Junção de material semicondutor com dois tipos de impurezas (n e p)
♦ Material semicondutor intrínseco (sem impurezas) – Com condutividade eléctrica entre condutor e isolante – Silício (Si) e Germânio (Ge)
* Microelectronic Circuits, Sedra and Smith,
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Junção semicondutora
♦ Semicondutor intrínseco: estrutura cristalina em que os electrões dos átomos vizinhos formam ligações designadas por ligações covalentes.
♦ A 0º K não as ligações covalentes estão intactas, não havendo electrões livres e portanto não há condução.
* Microelectronic Circuits, Sedra and Smith,
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Junção semicondutora
♦ À temperatura ambiente há quebra de algumas ligações covalentes ionização térmica, havendo electrões livres (e lacunas).
♦ O nº de electrões livres e o nº de lacunas depende da temperatura
n – nº de electrões livres
p – nº de lacunas
n = p = ni
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Junção semicondutora
♦ k é a constante de Boltzmann, EG o valor mínimo da energia para quebrar uma ligação covalente (EG = 1,12 eV para o silício) e B = 5,4 ×10-31 para o silício.
♦ Para T = 300º K:ni = 1,5 × 1010 electrões/cm 3
numa concentração de 5 × 1022 átomos/cm 3
numero de electrões livres muito pequeno face ao número de átomos: mau condutor à temperatura ambiente
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Junção semicondutora
♦ Diferenças na concentração de portadores provocam movimentos das carga: corrente de difusão
♦ Campos eléctricos provocam movimentos das cargas: corrente de deriva
dxdnqDJ nn −=
dxdpqDJ qq −=
Coeficiente de difusão:
Dp = 12 cm2/s
Dn = 34 cm2/s
EqnqnvJ nderivann µ==
EqpqpvJ pderivapn µ== qkTVDD
Tn
n
n
n ===µµ
Vspn 13505,2 =×= µµ
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Junção semicondutora
♦ Semicondutor dopado com material (fósforo) com átomos (dadores) com 5 electrões na última camada.
♦ Fica um electrão livre: semicondutor extrínseco de tipo n.♦ Os electrões são os portadores maioritários e as lacunas minoritários.
ND número de átomos dadores (equlíbrio térmico)
nn0 número de electrões a Tambientepn0 número de lacunas a Tambiente
Dno Nn ≈
nonoi pnn =2D
ino N
np2
≈
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Junção semicondutora
♦ Semicondutor dopado com material (boro) com átomos com 3 electrões na última camada.
♦ Fica uma lacuna livre. Semicondutor é do tipo p.♦ As lacunas são os portadores minoritários e os electrões maioritários.
NA número de átomos aceitadores
np0 número de electrões a Tambiente
pp0 número de lacunas a Tambiente
Apo Np ≈
popoi pnn =2
A
ipo N
nn2
≈
♦ Semiconductores de tipo p e n encostados♦ Há movimento de portadores devido à diferença da concentração
(difusão): corrente ID♦ Junto à junção não há electrões livres nem lacunas (zona de
carga espacial)
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Junção semicondutora
♦ O campo eléctrico formado na zona de carga espacial opõe-se à corrente de difusão, atingindo-se um equilíbrio.
♦ Distribuição de tensão na junção: barreira de potencial. ♦ Não há movimento de cargas.
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Junção semicondutora
♦ A tensão criada na junção gera uma corrente de deriva IS que acelera os portadores minoritários, electrões do lado p e as lacunas do lado n:
♦ IS fortemente dependente da temperatura
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Junção semicondutora
SD II =
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Junção semicondutora
= 20 ln
i
DAT n
NNVV [ ]VVVKT 8.0,6.0º300 0 ∈⇒=
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Junção semicondutora
♦ NA ≠ ND a largura da zona carga espacial é diferente dos lados p e n (ma zona é em geral muito mais fortemente dopada)
D
A
p
nDnAp N
NxxANqxANqx =⇔= 0
112 VNNq
WDA
sidep
+= ε
Wzce [0,1µm, 1µm]
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Junção semicondutora
♦ Junção pn com polarização inversa: corrente I♦ Aumenta a largura da zona de carga espacial e a tensão na zona
de carga espacial também aumenta (maior que V0). ID diminui.♦ A corrente de difusão diminui IS (mantém-se)
DS III −=
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Junção semicondutora
♦ Em polarização inversa, a junção comporta-se como um condensador de pratos paralelos
depj W
AC ε=
( )RDA
sidep VV
NNqW +
+= 0
112ε
0
0
1VV
CC
R
jj
+=
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Junção semicondutora
♦ I > IS a zona de carga espacial aumenta e a corrente ID diminui, não havendo equilíbrio, dá-se uma disrupção: efeito de zener ou de avalanche
DS III −=
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Junção semicondutora♦ Efeito de zener: o campo eléctrico da zona de carga espacial provoca
a quebra das ligações covalentes gerando pares electrão lacuna, aumentando o número de portadores sem aumento da tensão de junção.
♦ Efeito de avalanche: o campo eléctrico acelera os portadores minoritários cuja energia cinética origina provoca a quebra das ligações covalentes nos átomos com quem colidem.
♦ A junção pn com polarização directa: enfraquece o campo eléctrico da junção e favorece o movimento de difusão dos portadores maioritários
ID aumenta
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Junção semicondutora
♦ Díodos schottky− Metal (ânodo) e semicondutor tipo n (cátodo)
− Mais rápidos (armazenamento de carga)− Menor Vγ
♦ Varicap ou varactor− Capacidades variáveis
♦ Fotodíodos− Polarização dá-se por incidência de fotões que geram
electrões♦ LEDs
− Arsenieto de gálio (díodo de laser utilizados em CDs e comunicação óptica)
Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Tipos de díodos especiais