Aula 3 MODELO ELÉTRICO DO DIODO SEMICONDUTOR

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA ELETRÔNICA 1 ET74C Prof.ª Elisabete Nakoneczny Moraes Aula 3 MODELO ELÉTRICO DO DIODO SEMICONDUTOR Em 17 Agosto de 2016 REVISÃO: FORMAÇÃO DO DIODO SEMICONDUTOR Processo de recombinação dos portadores, dá origem a uma região desprovida de portadores de carga elétrica móveis região de depleção ou camada de depleção. Junção PN 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 2 1

2 FORMAÇÃO DOS ÍONS DA CAMADA DE DEPLEÇÃO CRISTAL tipo P CRISTAL tipo N B B Sb Sb Não há lacunas Não há é livres B B Sb Sb Íon negativo ANION Anodo A Íon positivo CATION Catodo K 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 3 REVISÃO: POLARIZAÇÃO DIRETA & REVERSA POLARIZAÇÃO DIRETA POLARIZAÇÃO REVERSA A K A K Cristal P Cristal N Cristal P Cristal N Vcc Vcc 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 4 2

3 CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO SEMICONDUTOR Curva característica do diodo ID = f(vd) I D (A) Is corrente de saturação. Resultante do movimento dos portadores minoritários. Is Vj V D (V) Polarização reversa Polarização direta 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 5 REVISÃO: CORRENTE DE SATURAÇÃO Polarização direta Portador minoritário do cristal P Portador minoritário do cristal N P E N IS Vcc 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 6 3

4 FOLHA DE ESPECIFICAÇÕES DATA SHEET Polarização reversa Portador minoritário do cristal P Portador minoritário do cristal N IS P E N Vcc 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 7 CONTEXTUALIZAÇÃO Um modelo científico é uma idealização simplificada de um sistema que possui maior complexidade, mas que ainda assim supostamente reproduz na sua essência o comportamento do sistema complexo que é o alvo de estudo e entendimento (Wikipédia). Os modelos podem ser classificados como abstratos, conceitual, gráfico, matemático entre outros. Para a análise do diodo semicondutor, será estudado: MODELO ELÉTRICO A simplificação utiliza estruturas elétricas elementares e de formulação conhecidas: resistor, capacitor e indutor, chave, fonte dependente ou independente, Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor MODELO MATEMÁTICO I D I S V D VT ( e 1) 8 4

5 MODELO ELÉTRICO DO DIODO O diodo semicondutor pode ser representado através de 3 modelos: 1) Ideal ID 2) Simplificado ID 3) Linear ID VD Vj VD Vj VD Boylestad 17 Ago seções: e 2.3 a 2.10 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 9 1MODELO IDEAL Considerase o diodo unicamente como uma chave eletrônica que pode assumir as condições: Aberta se reversamente polarizado Chave eletrônica aberta: VD=Vfonte ID=0 Fechada se diretamente polarizado Chave eletrônica fechada: VD0 ID limitada pelas condições do circuito Polarização reversa A Curva característica ID A K K Polarização direta VD ID 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 10 5

6 2MODELO SIMPLIFICADO Considerase o diodo como uma chave eletrônica que pode assumir as condições aberta ou fechada em série com uma fonte de tensão cujo valor corresponde ao valor da tensão da barreira de potencial, no caso Vj. Outras possíveis designações para Vj: Vth ou VT(threshold), V (limiar), VD (diodo), de joelho. ID Curva característica A K DIODO IDEAL Vj=0,7V para Si Vj=0,3V para Ge Vj VD 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 11 3MODELO LINEAR Além do próprio diodo, considerase a tensão da barreira de potencial Vj, V T e a resistência AC média rav DIODO REAL Curva característica ID A K DIODO IDEAL Vj VD 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 12 6

7 NÍVEIS DE RESISTÊNCIA DIODO REAL (Boylestad 1.7) A natureza da tensão aplicada ao diodo (forma de onda), define um ponto de operação (Q). Esse por sua vez introduz níveis de resistência distintos para cada tipo de sinal aplicado aos seus terminais. 1. Resistência DC ou Estática (R D ) Quando o diodo está submetido a uma fonte de tensão contínua CC (DC) R DC = VD / ID Resposta: a) 250ohms b) 40ohms c) 10Mohms 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 13 2RSISTÊNCIA AC OU DINÂMICA (rd) O diodo possui um ponto específico de operação (Q), nele aplicase um sinal senoidal. vd(t) = A sen (wt) A= amplitude de pequena intensidade Q Ponto de operação = quiescente (Q) 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 14 7

8 2RSISTÊNCIA AC OU DINÂMICA (rd) vd(t) = A sen (wt) rd Derivando a equação Vd Id Id Is( e k. Vd T K 1) Q chegase a: r d 26mV I d 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 15 3RESISTÊNCIA AC MÉDIA (rav) Quando o sinal senoidal é de grande amplitude, ou seja o diodo está submetido a uma CA de grande amplitude, cujos limites de funcionamento são definidos. Ex.: Usando a curva característica ao lado, determine a resistência AC média do diodo em questão. r av Vd I d pt. a pt Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 16 8

9 RESUMO: NÍVEIS DE RESISTÊNCIA Tipo Equação Características Determinação Gráfica Modelo linear do diodo Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 17 TÉCNICAS PARA A SOLUÇÃO DE CIRCUITOS 1. Análise gráfica: as informações são obtidas pelo cruzamento da curva característica do diodo em conjunto com a reta de carga do circuito elétrico em questão e que determina o ponto de operação ou quiescente (Q) do diodo. 2. Modelo elétrico do diodo: faz a representação elétrica do diodo a partir de estruturas elétricas elementares. 3. Modelo matemático do diodo: emprega uma equação matemática que representa o comportamento elétrico do diodo. v nv T i I S ( e 1) Boylestad: seções:1.6 a 1.9 e seções: 2.1 a Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 18 9

10 DIODOS EM SÉRIE E EM PARALELO Para a análise e solução de circuitos contendo diodos devese: 1. Usar um dos modelos de representação do diodo: ideal, simplificado ou linear; 2. Usar como padrão o valor da tensão de junção, sendo: Si= 0,7V e Ge = 0,3V; 3. Verificar o tipo de polarização do diodo: direta ou reversa e com isso substituir o diodo pela chave eletrônica correspondente; 4. Empregar as técnicas de solução de circuitos para o cálculo das grandezas desejadas. Exemplo 1: Como o diodo está polarizado? Adotar modelo ideal. a) b) c) Diretamente: chave eletrônica fechada Reversamente: chave eletrônica aberta Diretamente: chave eletrônica fechada 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 19 DIODOS EM SÉRIE Exemplo 2 (ex. 2.6 Boylestad): Calcular VD, VR e ID. Adotar modelo simplificado. VD E 8V 0,7V R 2k2 LKT: EVD VR=0 Diodo modelo simplificado 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 20 10

11 DIODOS EM SÉRIE Exemplo 3 (ex. 2.9 Boylestad): Calcular V0 e ID. Adotar modelo simplificado. LKT: EVT1VT2 VR=0 Diodo modelo simplificado Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 21 DIODOS EM PARALELO Exemplo 4 (ex Boylestad): Calcular V0, I1, ID1 e ID2. Adotar modelo simplificado. Vo em // com D1 e D2, portanto: Para determinar a corrente em cada diodo, considerase que os dois diodos são idênticos: 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 22 11

12 DIODOS EM PARALELO Exemplo 5 (ex Boylestad): Calcular V0. Adotar modelo simplificado. Os diodos são de materiais diferentes. Como a tensão de junção do diodo de Ge é menor que a de Si, isso implica em que ela é primeiramente alcançada, resultando na condução do diodo de Ge. 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 23 Adotar modelo simplificado para a solução EXERCÍCOS Boylestad cap. 2 p. 73 a 78 Analisar o exemplo 1.2 do Boylestad, p Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 24 12

13 EXERCÍCIO AVULSO 1 1) Determinar a corrente Id. Admitir modelo simplificado. Id=? 2mA 4V a) Determinar se o diodo conduz? Para isso utilizase o Teorema de Thèvenin: 1)Retirase o elemento de estudo; 2)Calculase a tensão de Th Vth; 3)Calculase a resistência de Th Rth. a1) A B 4V 2mA a2) Vth = VAB A fonte de corrente IMPÕE no circuito a circulação de uma corrente de 2mA que percorre R. A tensão VAB é calculada: 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 25 CONTINUAÇÃO DO EXERCÍCIO AVULSO 1 a2) Vth A B 4V 2mA Vth = VAB A fonte de corrente IMPÕE no circuito a circulação de uma corrente de 2mA que percorre R. A tensão VAB= Vth é calculada: Vth V 4 = 0 Vth = 4 V a3)rth Vth = 4 (2m. ) A B Vth = 2V 4V 4V 2mA 2mA FC circuito aberto FT curto circuito Rth = Ω 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 26 13

14 CONTINUAÇÃO DO EXERCÍCIO AVULSO 1 b) Redesenhando o circuito: Id=? 4V 2mA Id=? 2V c1)modelo ideal: Id = 2/ = 2mA c2)modelo simplificado Si: Id = 20,7/ = 1,3mA 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 27 10mA 10mA Rth Rth EXERCÍCIO AVULSO 2 2) Determinar V1 e V2: V1 V1 V2 V2 a) Vth Vth 10mA 8k 2k 10mA Re 2.1) Verificar o estado do diodo. Aplicando o Teorema de Thèvenin: Vth Re= 8k//2k = 8k.2k/10k Re 1,6k ohms 10mA 8k 2k 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 28 14

15 CONTINUAÇÃO DO EXERCÍCIO AVULSO 2 b) Vth 10mA Vth Re=1,6k c) Rth 10mA Vth Re=1,6k Vth= 10m. 1,6k Vth= 16V Potencial de Vth?? Rth= 1,6k Rth= 2,6kohms 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 29 CONTINUAÇÃO DO EXERCÍCIO AVULSO 2 2.2) Redesenhando o circuito: V1 V2 2,6k 10mA 8k 2k 16V Vth Vth REVERSAMENTE Rth Diodo polarizado Rth 3)Resposta 10mA V1 =16V V2 =0V 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 30 15

16 CONTINUAÇÃO DO EXERCÍCIO AVULSO 1 17 Ago 2016 Aula 3 Modelo elétrico do diodo semicondutor 31 16