DIODO DE JUNÇÃO. Prof. Dr. Hamilton Klimach. Dispositivos Eletrônicos Elementares

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1 DELET - EE - UFRGS Circuitos Eletrônicos I ENG DIODO DE JUNÇÃO Prof. Dr. Hamilton Klimach 1 Dispositivos Eletrônicos Elementares Transistor de Junção Bipolar BJT NPN PNP DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS ATIVOS (amplificação) Transistor de Efeito de Campo FET de Junção JFET de Porta Isolada MOSFET Canal N Canal P PASSIVOS (relação IxV) Lineares Não-Lineares Não-reativo: R Reativos: L, C Diodos Termistores Varistores... 2

2 Diodo Diodo Semicondutor Válvula Unidirecional DIODO CORTADO DIODO CONDUZINDO 3 Curva do Diodo Ideal Diodo Ideal Símbolo do Diodo CORTE CONDUÇÃO Circuito Equivalente Comportamento NÃO Linear 4

3 Diodo Ideal Modos de Operação Modo de polarização DIRETA CONDUÇÃO Modo de polarização REVERSA CORTE 5 Exercício 1 Considere os diodos ideais. Calcule o valor de I e V. 6

4 Circuito Retificador Diodo Ideal Retificador Modo Condução Modo Corte 7 Diodo Ideal Retificador Funcionamento Polarização Direta Polarização Reversa 8

5 Reposta no Tempo Diodo Ideal Retificador Funcionamento Curva de Transferência v o X v I V o = 0 V o = V I O procedimento de análise envolve a descoberta dos pontos em que o diodo PASSA da condução ao corte e vice-versa. Descobertos estes pontos, APLICA-SE O MODELO ELÉTRICO DO DIODO EM CADA UMA DAS REGIÕES DE OPERAÇÃO. 9 Diodo Ideal Retificador Funcionamento Qual a tensão sobre o diodo? 10

6 Aplicação Carregador de Bateria O circuito abaixo pode ser empregado como um carregador de bateria. Determine: a fração de tempo em que o diodo conduz; o pico de corrente no diodo. 11 Exercício 2 Considere os diodos ideais e calcule o valor de I e V. quando há mais de um diodo em um circuito, como não sabemos a priori qual a condição de operação de cada diodo, se propõe hipóteses e se verifica sua validade, considerando as opções diodo conduzindo e diodo cortado. Como o circuito tem 2 diodos, as 4 hipóteses possíveis são: D1 off, D2 off - D1 on, D2 off D1 off, D2 on - D1 on, D2 on 12

7 Exercício 3 Considere os diodos ideais e calcule o valor de I e V. Como o circuito tem 2 diodos, as 4 hipóteses possíveis são: D1 off, D2 off D1 on, D2 off D1 off, D2 on D1 on, D2 on 13 Aplicação Portas Lógicas Um conjunto de diodos pode ser utilizado para implementar portas lógicas simples. Porta OU Porta E 14

8 Diodo Real 15 Curva Real Diodo de Silício Curva IxV Curva Ideal CONDUÇÃO DIRETA CORTE 16

9 Curva Real Diodo de Silício Curva IxV CONDUÇÃO DIRETA CORTE Ruptura! CONDUÇÃO REVERSA 17 Eq. diodo: Direta: I D I D VD nvt I 1 S e I S e VD nvt Diodo de Silício Curva IxV p/ V D > 100mV kt V T n: 1 a 2 q Reversa: I D I S ( corrente de fuga ) p/ V D < 100mV Constante de Boltzmann k = 1,38x10-23 J/K Carga do elétron q = 1,6x10-19 C Para: T = 20C, V T = 25,2 mv 25 mv T = 27C, V T = 25,9 mv 26 mv 18

10 Diodo de Silício Curva IxV Dependência com a Temperatura Dependência da temperatura do diodo em polarização direta com corrente constante. A tensão de junção V D cai aproximadamente 2mV para cada 1C de incremento na temperatura. Sob maior temperatura, os elétrons tem mais energia cinética e um maior número conseguiria atravessar a barreira de potencial da junção; assim, para se manter a mesma corrente, necessita-se uma menor tensão direta. 19 Diodo de Silício Curva IxV Dependência com a Corrente Constante 20

11 Diodo de Silício Curva IxV Dependência com a Temperatura Potencial de bandgap do Silício Vbg 1,17 V 21 Junção Semicondutora Junção Semicondutora Estrutura simplificada de um diodo de junção Existe uma região de contato (junção) de dois materiais com propriedades elétricas diferentes 22

12 Tabela Periódica CONDUTORES SEMICONDUTORES ISOLANTES 23 O Silício O Si é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre (depois do Fe) É obtido do minério de Sílica ou do Quartzo É purificado até graus de pureza de 99, % para ser usado na indústria de semicondutores 24

13 Estrutura do Átomo O Átomo é ~ vezes o tamanho do Núcleo 25 Estrutura do Átomo Prótons são mantidos colados por Neutrons 26

14 Ligação Atômica Forças de atração e repulsão entre átomos 27 Condição de Equilíbrio entre Átomos Ligação Atômica 28

15 Cristal de Silício Como o Si possui 4 elétrons no último orbital, faz parte do grupo IV e permite 4 ligações covalentes Seu cristal tem estrutura regular, com disposição tetraédrica (cada átomo é ligado a outros 4 átomos) A repetição contínua dessa estrutura forma o monocristal de Si, que é a base de fabricação dos dispositivos semicondutores e circuitos integrados 29 Lingote MonoCristalino de Silício Wafer Slicing Método Czochralski: O cristal de silício puro é fundido Uma semente monocristalina é introduzina na superfície A semente é puxada e rotada de forma a solidificar um monocristal cilíndrico no entorno O lingote monocristalino é desbastado, fatiado e polido, resultando em wafers com 0.6mm de 30 espessura

16 Wafer de Silício Um Wafer pode conter milhares de pastilhas idênticas Cada pastilha pode conter bilhões de transistores 31 Condutores, Isolantes e Semicondutores Os níveis de energia que estão associados aos orbitais dos elétrons no átomo são quânticos, podendo apenas assumir valores discretos. Quando diversos átomos se aproximam e se ligam, formando um cristal, seus orbitais mais externos interagem, resultando em uma grande quantidade de novos níveis de energia possíveis. Os níveis de menor energia são devido aos orbitais mais internos, que pertencem individualmente a cada átomo, compondo o que se chama banda de valência do cristal; os elétrons que localizados nestes níveis estão presos ao respectivo átomo. Os níveis de maior energia são devido aos orbitais mais afastados dos núcleos dos átomos e definem uma região compartilhada por todos os átomos do cristal, chamada banda de condução ; os elétrons localizados nestes níveis estão livres e podem fluir entre os átomos do cristal. 32

17 Condutores, Isolantes e Semicondutores Um material é dito CONDUTOR, quando após preenchida a banda de valência, sobram elétrons nos níveis da banda de condução, os quais são livres e se movimentam se submetidos a um campo elétrico (tensão). Um material é dito ISOLANTE, quando somente possui elétrons nos níveis da banda de valência (a banda de condução está vazia), os quais estão presos a cada átomo e não conseguem se movimentar. Caso, em um material isolante, a distância energética entre as bandas de valência e condução seja pequena (poucos ev), alguns elétrons da banda de valência que receberem energia externa (calor, luz, etc) podem conseguir ocupar momentaneamente a banda de condução, ficando livres e podendo se movimentar no material, o que determina uma certa condutividade elétrica. Estes materiais são chamados SEMICONDUTORES. A zero Kelvin e sem incidência de qualquer forma de energia externa, um semicondutor se comporta como isolante (condutividade zero). 33 Condutores, Isolantes e Semicondutores 34

18 Silício Monocristalino Intrínseco Os átomos são mantidos unidos através do compartilhamento de elétrons, em ligações covalentes Os elétrons presos a estas ligações não estão livres Cada átomo possui 4 elétrons no último orbital e se liga a outros 4 átomos para preencher seu último orbital O Si cristalino possui cerca de 5x10 22 átomos por cm Silício Monocristalino Intrínseco No Si se encontra cerca de pares elétron-lacuna livres por cm 3 gerados termicamente a 300K (27 ºC). Algumas ligações covalentes rompem por agitaçação térmica (ionização) Portadores de carga livres são gerados possibilitando a condução de corrente (elétrons e lacunas livres) Há contínua geração e recombinação de pares elétron-lacuna Geração térmica de portadores: condutividade aumenta com a temperatura O Si é chamado de semicondutor porque sua condutividade está entre a dos condutores e a dos isolantes. 36

19 Silício Monocristalino Extrínseco - N Geralmente se utiliza concentrações de dopantes entre e átomos por cm 3 de Si. Criado através de contaminação controlada (dopagem) do Si puro Cada átomo de impureza cria um elétron livre (portador majoritário) Inserção de impurezas doadoras do Grupo V cria o silício Tipo N Fósforo (P) e Arsênico (As) possuem 5 (4+1) elétrons no último orbital 37 Silício Monocristalino Extrínseco - P Criado através de contaminação controlada (dopagem) do Si puro Cada átomo de impureza cria um elétron livre (portador majoritário) Inserção de impurezas aceitadoras do Grupo III produz silício Tipo P Boro (B) e Alumínio (Al) possuem 3 (4-1) elétrons no último orbital Geralmente se utiliza concentrações de dopantes entre e átomos por cm 3 de Si. 38

20 Concentrações de portadores Silício intrínseco cristalino: 5x10 22 átomos/cm portadores/cm 300 K (27 ºC) por geração térmica (portadores minoritários) Concentração de dopantes (Si extrínseco): em torno de a átomos/cm 3 (cada átomo dopante gera um portador livre majoritário) o Si é considerado degenerado quando dopado acima de átomos/cm 3 39 Concentrações de portadores Silício cristalino intrínseco vs extrínseco: 40

21 Mecanismos de Condução de Carga - A Corrente Elétrica Corrente elétrica é o deslocamento de portadores de carga elétrica (elétrons ou lacunas livres): I = ΔQ/Δt Existem dois mecanismos que provocam o movimento de portadores: Difusão: agitação térmica Deriva: campo elétrico I dif qav t dn dx I der q: carga do elétron A: área da seção considerada μ: mobilidade dos portadores n: concentração de portadores (cargas livres) V: tensão externa aplicada Vt: potencial térmico (kt/q = 27ºC) qan dv dx 41 Junção pn em Aberto Junção pn em Circuito Aberto Distribuição do potencial Região de Depleção 42

22 Polarização da Junção Junção pn em Polarização Reversa A capacitância de depleção é modulada através de um potencial aplicado reversamente: Varicap, utilizado na sintonia de circuitos receptores de RF. 43 Polarização da Junção Junção pn em Polarização Direta 44

23 Diodo Real Análise de Circuitos 45 Solução Analítica V D V DD R I D I D I S e VD nv T Sistema de equações NÃO Lineares 46

24 Solução Gráfica I D V DD V R D Conceito de Ponto de Operação Q 47 Modelo Simplificado 2 parâmetros Aproximação da curva exponencial por segmentos de reta. 48

25 Modelo Simplificado 2 parâmetros 49 Solução Analítica com o Modelo Solução Analítica com Modelo V D +r D : I V D D V V R r DD D0 VD0 D r D I D 50

26 Modelo Simplificado 1 parâmetro 51 Modelo Simplificado 1 parâmetro Diodo de Junção pn Ideal 52

27 Diodos Operação sob Sinal 53 Modelo de Pequenos Sinais CC A fonte V D define o valor médio das tensões e correntes (Ponto Quiescente Q) Análise CC A fonte v d é uma variação no entorno de Q Análise CA CA 54

28 Análise Polarização + Sinal Polarização CC Pequenos Sinais - CA V v D ( t) V ( t) V CC D v ( t) v D s ( t) r d v i D D i D nv T i ln I D S Q nv I T DQ 55 Exemplo O circuito ao lado é utilizado como regulador de tensão. Determine o comportamento deste regulador considerando: Uma variação de 10% na tensão da fonte O comportamento deve ser analisado SEM e COM a ligação de um resistor de carga de 1kΩ Suponha V D0 = 0,7V, V T = 26mV e n = 2 Quanto varia percentualmente a tensão de saída para os dois casos? (sem e com carga) R: s / c : V O c / c : V O V 19,4mVp V O V 26,3mVp V O O O 1,9% 2,6% 56

29 Diodo em Polarização Direta Curva Real Modelo Ideal Modelo com 2 parâmetros 57 Modelo Polarização (CC) Diodo em Polarização Direta Modelo de Pequenos Sinais (AC) 58

30 Diodos Retificadores Fontes de Alimentação 59 Diagrama em Blocos Fonte Alimentação 60

31 Retificador Retificador de Meia Onda Circuito Equivalente Curva de Transferência Formas de Onda de Entrada e Saída Obs: tensão reversa nos diodos igual ao valor de pico de Vs 61 Retificador de Onda Completa tap central Formas de Onda de Entrada e Saída Curva de Transferência Obs: quando reversamente polarizado, cada diodo terá de suportar uma tensão máxima de até 2xVs_pico-V D 62

32 Retificador de Onda Completa ponte de diodos Formas de Onda de Entrada e Saída Obs: tensão reversa nos diodos igual ao valor de pico de Vs 63 Filtro sem carga O CAPACITOR é carregado através do diodo, armazenando energia (carga elétrica). Após carregado, não há caminho de descarga, e a tensão no capacitor se mantém constante. 64

33 Filtro com carga 65 Aproximação para Projeto do Filtro v C 1 I LT T= 16,7ms p/ ½ onda em 60Hz icdt C T= 8,3ms p/ onda completa em 60Hz Vr C 66

34 Retificador de onda completa com capacitor-filtro: simulações 67 Escolha dos Diodos Especificação do Diodo (ex. 1N400X): Corrente média máxima (I FAV ): corrente direta média que o diodo suporta em uso contínuo Corrente de pico repetitiva máxima (I FRM ): corrente direta de pico que o diodo suporta repetidamente em uso e está relacionada aos ciclos de recarga do capacitor Corrente de pico não-repetitiva máxima (I FSM ): corrente direta de pico que o diodo suporta sem repetição (ou com repetição espaçada) e está relacionada ao ciclos de carga completa do capacitor, que ocorre quando a energia é ligada 68

35 Diodo Zener e Reguladores de Tensão 69 Símbolo Limites de Operação I I Z max Z min P V Z Z nom 0,1I Z max Diodo Zener Curva IxV Característica Os diodos Zener operam na região de ruptura reversa Vz < 5V Efeito Zener (Coef. Térmico negativo) Vz > 5V Efeito Avalanche (Coef. Térmico positivo) 70

36 Modelo do Diodo Zener polarização reversa Modelo Símbolo V Z Eq. de Modelo VZ 0 r z I Z 71 Manual da Série BZX79 Philips 72

37 Regulador Paralelo Com Zener O diodo Zener do circuito tem V z = 6,8V@5mA r z = 20Ω I ZK = 0,2mA (I Zmin ) V Z VZ 0 r z I Z 73 Regulador de Tensão Reguladores para Fontes de Alimentação Lineares Regulador Série (ex.: 7805, LM319) Regulador Paralelo (ex: zener, TL431) Chaveados Rede AC Interruptor e Proteções Transformador Retificador Filtros REGULADOR DE TENSÃO Carga 74

38 Regulador de Tensão Função Estabilizar a tensão de saída (fornecida à carga) contra: Variações na tensão da rede AC (flutuações) Variações de consumo da carga (I L ) ripple outras perturbações 75 Série Tipos de reguladores lineares O elemento de regulação encontra-se em série com a carga (regulação em tensão) A queda de tensão sobre o regulador é ajustada continuamente de forma a manter VL estável, mesmo com variações em VF Rede AC Transformador + Retificador + Filtros I F + V F - Regulador + V L - I L Carga 76

39 Tipos de reguladores lineares Paralelo O elemento de regulação encontra-se em paralelo com a carga (regulação em corrente) A corrente de regulação é convertida em queda de tensão por uma impedância (Z); esta corrente é continuamente ajustada de forma a manter VL estável, mesmo com variações em VF Rede AC Transformador + Retificador + Filtros I F + V F - Z Regulador + V L - I L Carga 77 Projeto: Regulador de Tensão + V F I F R Regulador Dz I Z + V Z + V L I L R L O regulador de tensão paralelo com zener é projetado através do dimensionamento de seus componentes, ou: 1)Diodo Zener: definição do seu valor nominal de tensão e potência; outros parâmetros podem ser dimensionados, como sua estabilidade térmica, resistência dinâmica, etc. 2)Resistor Série: definição do seu valor nominal e potência. I Z Corrente no Zener: V F V R Znom I L I Limites da corrente no Zener: P Z Z max I Z min 0, 1I Z max VZ nom 78

40 Projeto: Regulador de Tensão + V F I F R Regulador Dz I Z + V Z + V L I L R L Condições a serem satisfeitas 1)Regulação Mínima: quando a tensão V F for mínima e a carga R L consomir a máxima corrente, deve sobrar para o Zener a mínima corrente que garante boa regulação (I Zmin ). Assim: I Z min V F min V R max Znom I Lmax R max V I F min L max V I Znom Z min 79 Projeto: Regulador de Tensão + V F I I F Z max R V Regulador Dz F max I Z + V Z V R min + V L Znom I L R L I Lmin Condições a serem satisfeitas 2)Segurança do Zener: quando tensão V F for máxima e a carga R L consomir a mínima corrente, a corrente de Zener não deve ultrapassar o limite máximo permitido, para que o Zener não seja destruído (I Zmax ). Assim: R min V I F max L min V I Znom Z max 80

41 Projeto: Regulador de Tensão Assim, obtém-se através da especificação uma faixa de valores para o projeto de R. Deve-se selecionar um valor comercial para R, considerando-se que: R próximo de R max reduz a corrente no zener, aumentando o rendimento e reduzindo a regulação (maior r z ); R próximo de R min aumenta a corrente no zener, reduzindo o rendimento e aumentando a regulação (menor r z ); O projeto deve resultar em Rmax R min Caso contrário, deve-se alterar alguma definição já feita, como a escolha da potência do zener. R R max min V I V I F min L max F max L min V I V I Znom Z min Znom Z max 81 Especificação de Reguladores Normais V Lnom Corrente de saída máxima e mínima (ILmax e ILmin) Variação % de V F Outras Valor nominal de V F (trafo + filtro) Potência máxima do Zener Regulação de V L Rendimento: η=p L /P I 82

42 Diodos Circuitos Limitadores e Conformadores 83 Circuitos Limitadores v i v o 84

43 Circuitos Limitadores Restringir a excursão de um sinal dentro de certos limites limite superior L+ limite inferior L- ganho K (faixa não limitada) 85 Circuitos Limitadores Limitador Ideal Limitador Real (uso de diodos) 86

44 Circuitos Limitadores exemplos Limite superior Limite inferior 87 Circuitos Limitadores exemplos Dois limites Ajuste do limite 88

45 Circuitos Limitadores exemplos Fixação de limites através de diodo zener 89 Circuitos Conformadores Alteram a forma de um sinal, através da definição de uma função entrada-saída não-linear e arbitrária v o inclinação 2:1 8,85V 5,7V -5,7V 5,7V 12V v i inclinação 1:1 90

46 Circuitos Conformadores exemplo Gerador de Funções: ondas retangular, triangular e senoidal Integrador dt v R Comparador vo vi Conformador vo vi Retangular v R Triangular v T Senoidal v S 91 Circuitos Conformadores exemplo Conformador senoidal simples: cada quadrante da senóide é aproximado através de 3 segmentos de reta os dois pontos de transição entre os 3 segmentos são determinados pelas tensões dos zeners funciona para os semi-ciclos positivo e negativo necessita de um sinal triangular com 10Vp R=1k + D Z1 D Z3 + v i 3V3 D Z2 5V6 D Z4 v o R 1 =2,7k R 2 =390 92