Condutividade: maior que a dos isolantes, menor que a dos condutores Germânio Ge : inicialmente Silício Si : actualmente: mais abundante e mais fácil

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1 Díodo ideal Circuitos Electrónicos Básicos Elementos da coluna IV da Tabela Periódica. Semicondutores Condutividade: maior que a dos isolantes, menor que a dos condutores Germânio Ge : inicialmente Silício Si : actualmente: mais abundante e mais fácil Circuitos Electrónicos Básicos 3 1

2 Semicondutores Intrínseco: sem impurezas. cristal: 4 electrões periféricos partilhados por átomos vizinhos. Si Electrões da camada de valência Ligação covalente Circuitos Electrónicos Básicos 4 Semicondutores Electrões livres -libertos das ligações originam par electrão-lacuna Si Ligação covalente destruída Carga do electrão: q = C lacuna: ausência de electrão. Comporta-se como carga +q Lacuna Electrão livre Circuitos Electrónicos Básicos 5

3 Semicondutores n electrões por unidade de volume p lacunas por unidade de volume n= p= n n 3 EG / kt i i no semicondutor intrínseco em que: T- temperatura absoluta em kelvin (K) k E 3 - Constante de Boltzman, k = J/K G = BT e = 1.1eV (para o Si) "bandgap energy" representa a energia mínima para formar par electrão-lacuna B = (para o Si) depende do material 10 3 Típico: T = 300K ni = portadores/cm em 5 10 átomos /cm 3 Circuitos Electrónicos Básicos 6 Semicondutores Elementos dadores: coluna V 5 electrões periféricos N D átomos dadores por unidade de volume Tipo n: com dadores electrões livres predominam n N D Em equilíbrio térmico np = n i Si Dadores (tipo n): antimónio fósforo arsénico Electrão livre Circuitos Electrónicos Básicos 7 3

4 Semicondutores Elementos aceitadores: coluna III 3 electrões periféricos N A átomos aceitadores por unidade de volume Tipo p: com aceitadores Si Lacuna Aceitadores (tipo p): boro gálio indio lacunas predominam p N A Em equilíbrio térmico np = n i Circuitos Electrónicos Básicos 8 Condução: movimento dos portadores de carga (electrões ou lacunas) mecanismos: difusão e deriva Difusão: gradiente de densidade de portadores ( np, ) densidade de corrente (A/m ) dn dp Jn = Dq n Jp = Dq p ; dx dx D, D são constantes de difusão n p Semicondutores Si intrínseco: Dn = 34cm /s; Dp = 1cm /s Circuitos Electrónicos Básicos 9 4

5 Deriva: acção do campo eléctrico velocidade v = µ v = µ µ mobilidades np, E e E E campo eléctrico n n p p Si intrínseco: n 1350cm /Vs; p 480cm /Vs D D µ µ V n p = = VT n p T µ = µ = relação de Einstein kt = tensão térmica 5mV a 300K (temp. ambiente) q µ =.5 a 3 µ n p densidade de corrente: Jdrift = qn ( µ n + pµ p) E Semicondutores 1 σ= ρ condutividade Circuitos Electrónicos Básicos 10 Junção pn iões dadores Θ iões aceitadores - electrões livres + lacunas iões representados só na região de deplecção N x = N x A p D n Barreira de potencial: V O = V T N N ln A D ni difusão+recombinação equilíbrio, I = 0, (circuito aberto) campo eléctrico deriva Circuitos Electrónicos Básicos 11 5

6 Junção pn polarização inversa Barreira de potencial aumenta região de deplecção alarga V O +V R Sem disrupção: corrente inversa desprezável V R <V z Disrupção: breakdown Corrente I R elevada e independente da tensão V R <V z Disrupção= efeito Zener (V z <5V) + avalanche (V z >7V) Ef. Zener: Campo eléctrico forte gera pares electrão-lacuna Avalanche: colisão portadores-átomos gera pares electrão-lacuna Circuitos Electrónicos Básicos 1 Junção pn polarização directa Barreira de potencial diminui diminui campo eléctrico V O -V corrente directa significativa Portadores maioritários de um lado são injectados para o outro lado, passam a minoritários e há difusão+recombinação, excesso de portadores minoritários, máx nas fronteiras da zona de deplecção. Circuitos Electrónicos Básicos 13 6

7 Junção pn polarização directa Barreira de potencial diminui diminui campo eléctrico V O -V corrente directa significativa V / nvt V / nvt S( 1) IS se não for: V» V a corrente é desprezável T D D I Aqn L I proporcional à área, depende muito de T p n S= i + ; pn, comprimento de difusão NDLp NALn S I = I e e Circuitos Electrónicos Básicos 14 Característica i-v do díodo Os circuitos que utilizam os díodos na zona de disrupção são diferentes dos circuitos que utilizam os díodos na polarização directa ou inversa. Isto permite utilizar modelos diferentes para o díodode acordocom a aplicação. Circuitos Electrónicos Básicos 15 7

8 Díodo ideal Aproximação linear por troços: Díodo ideal Circuitos Electrónicos Básicos 17 Rectificadorcom díodo ideal Circuitos Electrónicos Básicos 18 8

9 Aproximação linear por troços: Díodo com tensão constante díodos de Silício v D = V na figura considera-se V = 0.7V Circuitos Electrónicos Básicos 19 D para i=constante v mv/ºc T Especificações: corrente directa máxima tensão inversa máxima Aproximação linear por troços: Díodo com resistência v r = i díodos de Silício v D V D0 = V 0.5V-0.65V para i=constante v mv/ºc T Circuitos Electrónicos Básicos 0 9

10 Ponto de funcionamento em repouso id = f ( vd) V = Ri + v DD D D Método gráfico i Método iterativo D0 v D0 = 0.7V VDD 0.7 id1 = R i i v = v + nv ln v v = nv ln i D1 D1 D1 D0 T D1 D0 T id0 id0 V v R DD D1 D1 = K Circuitos Electrónicos Básicos 1 Modelo incremental O PFR estabelece a zona da característica em que o dispositivo está a funcionar. Devido à linearização do modelo pode calcular-se de forma simplificada o ganho (amplificação) de um sinal de baixa amplitude. Circuitos Electrónicos Básicos 10

11 Resumo Díodo ideal: útil para avaliação de quais os díodos em condução e rápida análise do funcionamento do circuito. Pode ser utilizado se as tensões no circuito forem muito superiores à tensão de condução do díodo. Díodo com tensão constante: Fácil de utilizar e muito prático para cálculos manuais. Díodo com resistência: Escolha da tensão e resistência depende dos valores em que o circuito vai operar. Menos usado. Modelo exponencial: Com base física e preciso. Modelo incremental: Prático quando se pretende analisar a resposta a sinais de baixa amplitude. Serve de introdução aos modelos incrementais de transistores Circuitos Electrónicos Básicos 3 Aplicações: Fontes de Alimentação Rectificador Rectificador de meia onda Rectificador de onda completa Ponte de Graetz Filtro (passa-baixo) Reguladores de tensão Com díodo de Zener série Circuitos Electrónicos Básicos 4 11

12 Transformador Rectificador de meia-onda Isolamento galvânico Abaixamento da tensão v s alternada, v unidirecional Circuitos Electrónicos Básicos 5 o Rectificador de meia-onda Desprezando a queda de tensão no díodo v V O Smax 1m n1 ( ) = arcadas positivas de v Valor médio da sinusoide simplesmente rectificada π 1 1 v = V sinα dα = V o av Om Om π π 0 sentido do díodo trocado v O n V = arcadas negativas de s v s Circuitos Electrónicos Básicos 6 1

13 Rectificador de Onda Completa Transformador com tomada no ponto médio do secundário. vs > 0 D1 conduz vo = vs vo v D cortado = S vs < 0 D1 cortado vo = vs ( vo) = V av Om π D conduz (desprezando a queda de tensão no díodo quando conduz) sentido dos díodos trocados v = v O Circuitos Electrónicos Básicos 7 S Rectificador em Ponte de Graetz vv s <0; s >0; vv O O =-v =v s Vantagens : Secundário do transformador sem tomada central com metade da tensão Circuitos Electrónicos Básicos 8 13

14 Filtro (passa-baixo) Tensão alternada rectificador tensão rectificada filtro LP tensão contínua (com tremor, ripple ) RC» T v V Im desprezando a queda de tensão no díodo carga perdida = carga reposta Im C V T V O V VIm = = R fcr amplitude do tremor Circuitos Electrónicos Básicos 9 Díodo Zener Para funcionar com polarização inversa. Modelo mais simples assume r z =0 Circuitos Electrónicos Básicos 31 14

15 exemplo como é que calcula I, I Z e I L? Circuitos Electrónicos Básicos 3 Díodo Zener Ef. Zener (V z <5V) Avalanche (V z >7V) Especificações: corrente máxima (ou potência) tensão de Zener Variação com a temperatura Vz v + mv/ºc - (directa) T T sugere uma combinação simples pouco sensível à temperatura ex: V = 6.8V V = 0.7V V = 7.5V z D z_ eq Circuitos Electrónicos Básicos 33 15

16 Circuitos Limitadores Exemplos de circuitos limitadores Circuitos Electrónicos Básicos 34 Regulador de tensão com díodo Zener Regulador paralelo (díodo Zener // carga) i 1 R 1 i v > V v = V I z O Z independente de v Z I Z 1 Z 1 R R1 e de R V v V i = ; i = ; i = i i Usa-se para potências muito baixas normalmente i I v I v O i 1 R 1 i v I r z v O V Z 0, gerador de tensão de referência. R R Circuitos Electrónicos Básicos 35 16

17 Receptor de Satélite i 1 R 1 1ºTeste (3/11/004) i v I D 1 D v O R Considere o circuito representado na figura, em que R 1 =1kW, R =4kW, e que V Z =3V. 1. Determine i 1, i, i D e v O quando v I =5 V (considere o modelocom fonte de tensão).. Indique como calcularia o modelo com resistência de D para os valores da alíneaanterior. 3. Represente v O (t) para v I (t)= 5+1 sin(p 10 3 t) V e diga qual a amplitude máxima de variação de v I para que o circuito se comporte como regulador. Circuitos Electrónicos Básicos 37 17

18 i 1 R 1 1ºTeste (3/11/004) i D v 1 I v O R D 1) Hipótese: díodos ao corte? Considerando D_ on=0.7v O = I = 4 > Z + D_ on = 3.7 R1+ R Os díodos estão a conduzir. ( v V V ) ( V + V ) 3.7 i = = = 1.3mA i = = = 0.95mA I Z D_ on Z D_ on R1 110 R1 410 i = i i = 0.375mA v = 3.7V D 1 ) Pode considerar-se v R v v v V V V V D_ on O no intervalo [0.5, 0.65]V. (0.7 V ) D_ on Considerando vd_ on=0.5v RD = = = 533Ω 3 id Circuitos Electrónicos Básicos 38 i 1 R 1 1ºTeste (3/11/004) i v I D 1 D v O R R v = v = [5+ 1sin(π110 t)] = sin(π110 t) vi vo (sem regulação) vo (com regulação) 3) O I R1 R sería um bom regulador se a tensão na saída não fosse abaixo dos 3.7V, ou seja 4/5 Vi_max=0.3=> Vi_max =0.375 V de amplitude. Circuitos Electrónicos Básicos 39 18

19 1ºExame (19/1/005) Considere o circuito representado na figura, em que R=1kW. 1. Determine o valor da tensão na saída v O quando I =1 ma utilizando para o díodo o modelo com fonte de tensão (V D =0.7V).. Determine novamente o valor da tensão na saída v O quando I =1 ma e em que os díodos têm n=1 e I S =10-14 A. 3. Indique como é que a tensão de saída varia com a temperatura. D 1 D I R v O Circuitos Electrónicos Básicos 40 1ºExame (19/1/005) I Nota : considerando R independente da temperatura. 1) ) 3) v = IR+ v + v = =.4V O D1 D 3 I 110 vd = nv = n = 0.63 V ; T ln 5 10 l IS v = IR+ v + v = =.6V O D1 D I IS vd = nvt ln T a IS VT é dominante! v = mv /º C v O diminui com a temperatura. I S D 1 D R v O Circuitos Electrónicos Básicos 41 19