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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
Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 3
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
Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 4
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
Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 5
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
Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 6
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.
Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 7
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
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Aplicações
D1
R1
D2
D3D1
R1
D2
D3
5VVDD
Porta OR Porta AND
Circuitos limitadores
Multiplicador de tensão
Formatador de Seno
etc
Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 9
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
Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 10
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
Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 11
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
Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 12
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
Região de depleção
Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 13
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.
Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 14
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.
Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 15
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
Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 16
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.
Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 17
Sensibilidade à temperatura
Vbe varia cerca de -2mV/Cº para valores semelhantes de Ic.
Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 18
Característica do Díodo(com zona de disrupção)
0.7V
Tensão deDisrupção (Vz)
Disrupção
Id
Vd
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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
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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
Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 21
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 /
Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 22
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.
Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 23
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
Região de depleção
)(xp)(xnTipo-p Tipo-n
0pn 0np
px nxCarga armazenada
Polarização inversa Polarização directa
Rd Cj Cd
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Circuitos limitadores
V212V
Circuito de clamping Duplicador de tensão
2Vpp
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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
Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 26
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
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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
Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 28
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
Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 29
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.