FEPI Centro Universitário de Itajubá Eletrônica Básica

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1 FEPI Centro Universitário de Itajubá Eletrônica Básica Prof. Evaldo Renó Faria Cintra 1

2 Diodo Semicondutor Polarização Direta e Reversa Curva Característica Níveis de Resistência e Modelos Efeitos Capacitivos Folhas de Dados, Exemplos e Apêndice 2

3 Diodos Semicondutores Aspectos Construtivos 3

4 Diodo Semicondutor Aspecto Construtivo Junção PN acrescida de duas regiões (N + e P + ). 4

5 Polarização Direta e Reversa 5

6 Polarização Direta e Reversa Levantamento de suas propriedades elétricas através das curvas características; Para o diodo I D = f(v D ); Tirar o dispositivo da condição de equilíbrio através da polarização; Polarização Direta Cristal P recebe um potencial mais positivo que o cristal N; Polarização Reversa Cristal N recebe um potencial mais positivo que o cristal P. 6

7 Polarização Direta V D + - I D E EXT I D P + Cristal P Cristal N N + Anodo W D Catodo W D < W O 7

8 Conseqüências E EXT acelera portadores majoritários em direção à região de depleção; Desionização e conseqüente diminuição da região de depleção até sua extinção; Favorecimento de circulação de uma corrente direta (corrente de difusão) constituída de portadores majoritários; Potencial necessário para desionizar a região de depleção será de 0,7V para o silício (0,3V G e ); Anodo para onde caminham os elétrons; Catodo para onde caminham as lacunas. 8

9 Observações Diodo polarizado diretamente apresenta uma baixa resistência (R CONTATOS + R CORPO ); Em uma primeira aproximação pode ser considerado uma chave fechada; Prever resistor limitador de corrente externo; O valor de 0,7V (V T tensão de joelho, tensão de disparo, tensão de limiar, etc) depende da temperatura. Varia aproximadamente -2mV por grau Celsius; Diodos de Sinal (baixa potência) e Retificadores (alta potência). 9

10 Observações Não é necessário contabilizar os portadores minoritários na corrente direta; O símbolo do diodo representa uma seta que indica o fluxo de corrente convencional quando polarizado diretamente. Anodo V D + - Catodo Simbologia (Invólucro) I D 10

11 Polarização Reversa - V R + I R = I S E EXT I R = I S P + Cristal P Cristal N N + Anodo W R Catodo W R > W O 11

12 Conseqüências E EXT acelera portadores majoritários em direção oposta à região de depleção; Ionização e conseqüente alargamento da região de depleção; Favorecimento de circulação de uma corrente reversa (corrente de deriva, de pequeno valor) constituída de portadores minoritários; Corrente de Saturação Reversa (I S ) depende da temperatura. Dobra a cada aumento de 10 0 C; Em uma primeira aproximação o diodo é uma chave aberta. 12

13 Observações Para diodos de sinal I S na faixa de na. Diodos Retificadores podem ter I S na faixa de ma; Deve-se observar a tensão reversa sobre o diodo para evitar a sua ruptura. Anodo V R - + Catodo I S 13

14 Ruptura Atingida a tensão de ruptura (PIV, VRRM, BV), o diodo passa a conduzir uma grande corrente reversa; Dois mecanismos de ruptura: Multiplicação por Avalanche e Efeito Zener; Multiplicação por Avalanche Geração de pares elétron-lacuna choque entre elétrons com alta energia cinética e a estrutura cristalina; Efeito Zener Campo elétrico de alta intensidade gera pares elétrons lacuna; 14

15 Ruptura Os mecanismos de ruptura coexistem (podendo haver o predomínio de um deles) e dependem da temperatura e da dopagem dos cristais; BV apresenta um coeficiente térmico que depende do tipo de mecanismo de ruptura predominante; Diodo especializado para atuar na região de ruptura Diodo Zener; BV pode ser tão pequena quanto algumas unidades de Volt ou tão grande quanto centenas de Volt. 15

16 Alguns Exemplos de Encapsulamentos 16

17 17

18 Curva Característica 18

19 Curva Característica I Dmax I D Polarização Direta Diodo "ON" V D + - B V I S I D V T V D - V R + I S Polarização Reversa Diodo "OFF" 19

20 Equação de Shockley A equação de Shockley é deduzida a partir de conceitos da Física do Estado Sólido. É válida para o diodo operando fora da região de ruptura e para níveis de corrente não tão elevados (fora da região de alta injeção). Idealiza a relação IxV. v t VD v t I D IS. e K.T 25[mV] q v U t T t C Atenção: v t é a tensão equivalente de temperatura. Não confundir com a tensão de joelho V T ( 0,7V p/ o diodo de S i e 0,3V p/ o de G e ) 20

21 Níveis de Resistência 21

22 Níveis de Resistência Apesar de se tratar de um componente altamente não linear, o diodo semicondutor pode ter partes de sua curva característica linearizadas. Em outras palavras significa tornar uma porção desta curva expressa pela lei de Ohm. Este procedimento acarreta na definição de alguns níveis de resistência (na polarização direta), a saber: Resistência Estática (Resistência DC - R D ); Resistência Dinâmica Incremental (Resistência AC Incremental - r d ); Resistência Dinâmica Média (Resistência AC Média - r AV ). 22

23 Níveis de Resistência Para efeito de modelamento (linearização de partes da curva característica), será considerado que o diodo na condição de polarização reversa (antes da ruptura) é uma resistência de altíssimo valor. Na prática isto significa que este valor é muito maior (pelo menos 10 vezes) que o maior resistor presente no circuito. Normalmente, esta condição é simbolizada pelo seu comportamento idealizado que é uma chave aberta. 23

24 Resistência Estática I DQ I D Q V DQ V R D I Ponto de Operação DQ DQ V D A resistência DC é a relação direta entre os valores DC de tensão e corrente no diodo. Será maior para regiões próximas ou abaixo do joelho da curva e apresentará um elevado valor na polarização reversa (antes da ruptura). A resistência DC não depende do formato da curva característica. 24

25 Resistência Dinâmica Incremental I D r d V I r d D D Q V D dv di DQ Reta Tangente D D 25[mV] I Q A resistência AC Incremental prevê a movimentação do ponto Q pela presença de um sinal variante no tempo superposto aos níveis DC. Desde que estas variações sejam pequenas (operação a pequeno sinal sinais incrementais), a curva se confunde com a reta tangente no ponto (derivada). Esta resistência depende do formato da curva. 25

26 Resistência Dinâmica Incremental - Observação Esta resistência foi deduzida a partir da equação de Shockley que modela apenas o comportamento da junção PN. As resistências de corpo dos materiais semicondutores das regiões do Anodo e do Catodo e as resistências dos contatos ôhmicos (idealmente deveriam ser zero) não fazem parte desta formulação. É comum, então, encontrarmos: r' d r d r B r B representa as contribuições adicionais e pode variar de 0,1 a 2 ohm dependendo do tipo de dispositivo. Diodos de sinal, maior r B e diodos de potência, menor r B. 26

27 Resistência Dinâmica Média I D I D V D r AV V I D D ponto a ponto V D Se o sinal variante no tempo provocar deslocamentos muito grandes no entorno do ponto de operação, é necessário definir uma resistência AC média. Este valor de resistência é calculado tomando-se uma linha reta que une os dois pontos extremos das variações do sinal e fazendo-se a relação entre a tensão e a corrente. 27

28 Modelos 28

29 Circuitos Equivalentes (Modelos) do Diodo Circuitos equivalentes são uma combinação de elementos de circuito (resistores, capacitores, fontes de tensão, etc) propriamente escolhidos, para representar, com um certo grau de precisão, as características globais ou em um determinado ponto de operação, um dispositivo ou um sistema. Um sinônimo para circuito equivalente é Modelo e está se tentando deixar o dispositivo (ou sistema) linear. O uso de modelos simplifica a análise de um circuito que contenha componentes altamente não lineares. 29

30 Modelo Ideal I D V D = I D V D - V R + I R = 0 Idealmente, o diodo é modelado como uma chave fechada (polarização direta) e como uma chave aberta (polarização reversa). Também chamado de primeira aproximação. 30

31 Modelo Simplificado I D V D = V T V T I D V T V D - V R + I R = 0 O diodo se torna uma chave fechada depois de vencido o joelho da curva (consegue manipular valores expressivos de corrente). Também chamado de segunda aproximação. 31

32 Modelo Linear por Partes I D V D = V T + I D.r AV r V AV T I D V T V D - V R + I R = 0 Incorpora o valor da resistência dinâmica média. Chamado de terceira aproximação. 32

33 Neste ponto, pode surgir a dúvida sobre qual dos modelos utilizar. Normalmente, o modelo simplificado atende a maioria das análises de circuitos com diodos. Contudo, sempre que possível, deve-se avaliar os valores das tensões aplicadas e de outras resistências do circuito. Se estas forem muito superiores aos valores de V T e de r AV (pelo menos dez vezes maior) o modelo ideal levará a resultados com um grau de imprecisão de no máximo 10%. Quando as tensões aplicadas e outras resistências forem da mesma ordem de grandeza de V T e r AV torna-se necessário o uso do modelo linear por partes 33

34 Efeitos Capacitivos 34

35 Efeitos Capacitivos Existem dois efeitos capacitivos a serem considerados. Ambos estão presentes nas condições de polarização direta e reversa, entretanto, apenas um deles é dominante, simplificando, assim, a análise. Na polarização reversa predomina a Capacitância de Junção (C J ) enquanto que na polarização direta predomina a Capacitância de Difusão (C D ). Em altas freqüências, podem ser introduzidos curtos-circuitos através de baixos valores de reatâncias capacitivas (X C ) 35

36 Capacitância de Junção Na polarização reversa tem-se um material isolante (região de depleção) entre duas regiões com cargas acumuladas. Pode ser modelado por um capacitor de placas paralelas. A distância entre as placas ( largura da região de depleção) varia com o nível de tensão reverso aplicado e, conseqüentemente, a capacitância. Um diodo especializado, chamado Varicap, muito utilizado em circuitos de sintonia, está otimizado para atuar como um capacitor variável com base neste fenômeno. 36

37 Capacitância de Difusão Quando os portadores se difundem através da junção, eles levam um determinado tempo para se recombinarem. Até que a maioria dos portadores se recombine, eles ficam armazenados o que equivale a modelar este comportamento como um capacitor. Quanto maior a corrente direta, maior o armazenamento de cargas, maior efeito capacitivo. Pelo fato de estar relacionada à difusão de portadores, esta capacitância recebeu o nome de capacitância de difusão. 37

38 Tempos de Recuperação Ao se aplicar um sinal de freqüência muito elevada (uma onda quadrada por exemplo), os efeitos capacitivos impedirão que o dispositivo responda instantaneamente. Existirão os chamados tempos de recuperação direto (t rd ) e reverso (t rr ). O tempo de recuperação reverso (passar da da polarização direta para a polarização reversa) é o maior dos dois e representa o tempo de recuperação dominante. 38

39 V in (t) D 1 D1N4148 R L 1[K ] Circuito Simples para a Verificar o Chaveamento de um Diodo de Sinal V in (t) [V] 10 10ns Comando p/ Desligar D 1 30ns ns t Comando p/ Ligar D 1 39

40 Corrente e Tensão no Diodo I D [A] 20m t rr 15m 10m 5m 10ns 20ns t -5m 30ns -10m -15m V D [V] 2 10ns 30ns ns t

41 Potência Dissipada 41

42 Dissipação de Calor Hipérbole de Potência O diodo dissipa potência na polarização direta proporcionalmente ao produto I D x V D. Este valor é uma constante e depende, basicamente, do volume de silício empregado e do encapsulamento. O produto define, no plano I D = f(v D ), o que se chama de Hipérbole de Potência. A princípio, podemos classificar os diodos em dois grandes grupos: Diodos de Sinal Trabalham em baixa potência (tipicamente abaixo de 1[W]) e são mais rápidos; Diodos Retificadores Maior potência e mais lentos (freqüência industrial 60 [H Z ]). 42

43 I D I Dmax I D x V D = cte Esta constante é P DMAX Q V T V D O ponto quiescente (Ponto Q) deverá ficar abaixo da hipérbole de potência para garantir uma operação segura do dispositivo (SOA Safe Operating Area). 43

44 Folhas de Dados 44

45 Folhas de Dados Basicamente, dois tipos de informação; Absolute Maximum Ratings (Limiting Values) (Valores Máximos Absolutos ou Valores Limites): Valores que, se excedidos, provocam a destruição do dispositivo ou a degeneração de seu comportamento elétrico, diminuindo, assim, a confiabilidade e a vida útil do dispositivo; Electrical Characteristics (Características Elétricas): Tabelas com Valores Típicos e suas dispersões, Curvas, Circuitos Típicos, etc que auxiliam o desenvolvimento de um projeto. 45

46 Exemplo de Folha de Dados Diodo 1N4148 Informações Gerais, Aplicações, Descrição do Dispositivo, etc 46

47 Valores Máximos Absolutos (Valores Limites) 47

48 Características Elétricas 48

49 Curvas Características 49

50 Circuitos de Teste 50

51 Informações Mecânicas 51

52 Exemplos 52

53 Alguns Exemplos de Retificadores 53

54 Alguns Exemplos de Diodos de Sinal 54

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