Diodo túnel Diodo Esaki

Transcrição

1 Diodo túnel Diodo Esaki Diodos convencionais são dopados com um átomo de impureza para cada dez milhões de átomo de semicondutor intrínseco. Aumentando-se a dopagem para mil átomos de impureza para cada dez milhões de átomo de semicondutor intrínseco, obtém-se uma região de resistência negativa (Leo Esaki). O aumento da dopagem reduz a largura da região de depleção. Suas três principais características são: Sua corrente direta aumenta até um valor de pico, com uma pequena tensão de polarização direta aplicada; Redução da corrente direta com o aumento da polarização, até um valor de corrente de vale ; Aumento da corrente direta com aumento adicional da tensão de polarização.

2 Diodo túnel Diodo Esaki Um diodo túnel polarizado para operar em região de resistência negativa pode ser empregado como oscilador ou amplificador em altas freqüências. A operação em altas freqüências é possível graças à velocidade com que o efeito túnel acontece, com efeito de tempo de trânsito muito pequeno. O aumento da dopagem reduz a largura da região de depleção. Encontra boa aplicação em dispositivos de chaveamento (comutação) em alta velocidade.

3 Oscilador a diodo túnel Um diodo túnel polarizado no centro da região de resistência funciona como um oscilador bastante estável em altas freqüências, dentro de uma cavidade ressonante. Podem ser sintonizados mecanicamente (quando implantado em uma cavidade ressonante) ou eletronicamente. Os diodos túnel sintonizados podem utilizar linhas de transmissão, cabos coaxiais ou guias de onda na sintonia.

4 Oscilador a diodo túnel A potência de saída do circuito ao lado é de algumas centenas de microwatts, suficientes para muitas aplicações em microondas. A freqüência de oscilação é determinada pela posição do parafuso de sintonia. A sintonia pode ser feita, ainda, por tensão de polarização ou com auxílio de um diodo varactor.

5 Amplificador a diodo túnel É uma importante aplicação na área de microondas devido ao baixo ruído gerado. O filtro serve para selecionar a faixa a ser amplificada e para casar as impedâncias com o objetivo de melhorar o ganho. Se houver algum descasamento de impedâncias na porta 3, a carga R L absorverá a energia direcionada pelo circulador.

6 Conversores a diodo túnel O diodo túnel permite a construção de excelentes conversores de freqüência graças à sua elevada não linearidade. Ao contrário de muitos outros conversores, o diodo túnel executa a conversão com aumento da potência. Pode ser construído de forma a operar simultaneamente como oscilador local e conversor de freqüência. Para que opere com ganho será necessário que seja polarizado na região de resistência negativa. Lembrar que nem sempre ganhos elevados são vantajosos devido ao risco de instabilidade.

7 Diodo Gunn Circuito equivalente na cavidade É formado por apenas pelo semicondutor tipo N, com três camadas, sendo a do meio com dopagem menor. As camadas N laterais evitam a migração de íons metálicos dos terminais para a camada ativa. É utilizado como oscilador de microondas, entre 5 e 140 GHz. A freqüência de oscilação depende da espessura da camada ativa, porém pode ser ajustada. Na maioria das vezes o ajuste da sintonia é feito mecanicamente, mas pode ser ainda feito pela tensão de polarização ou com auxílio de um diodo varactor. Encontra grande aplicação em radares de trânsito, alarmes e detectores de movimento.

8 Diodo Gunn Tabletes de arsenieto de Gálio (GaAs), Fosfeto de Índio (InP) ou nitreto de Gálio (GaN), ambos tipo N. Apesar do nome diodo, não possui junção. Possui uma região de resistência negativa, a exemplo de outros componentes, na qual a velocidade de deslocamento diminui com o aumento da tensão aplicada aos seus terminais. O processo gera uma concentração de elétrons livres denominada domínio.

9 Diodo Gunn Movimento do domínio contato metálico do catodo contato metálico do anodo domínio eletrônico (camada ativa) GaAs tipo N

10 Velocidade de deslocamento no GaAs

11 Transiente Os domínios se movem pelo arsenieto de gálio até o terminal positivo. Quando o domínio atinge o terminal positivo, desaparece e um novo domínio se forma. Quando o domínio desaparece, forma-se um pulso de corrente. O período dos pulsos é igual ao tempo de transito.

12

13 Diodo Gunn Diodo Gunn em cavidade Diodo Gunn em antena de cavidade

14 Modos de operação do Diodo Gunn Modo de amplificação estável Funciona como um amplificador; Neste aspecto, a concentração de dopagem versus comprimento da região ativa deve ser inferior a 1012/cm 2. Modo de trânsito Opera de forma não ressonante e depende da tensão de polarização aplicada; A concentração de dopagem deve estar entre 1012 e 1014/cm 2 ; A freqüência de operação depende do tempo de trânsito do pulso pela região ativa,

15 Modos de operação do Diodo Gunn Modo de carga espacial limitada Depende de um indutor de RF para excitar uma cavidade ressonante de alto fator de qualidade (Q); A concentração de dopagem versus comprimento da região ativa deve ser igual ou superior a 1012/cm 2 ; A eficiência pode chegar a 20%, superior à dos outros dois; O período de oscilação é: 1 T = 2π LC + Vb R V th V b = tensão de polarização V th = tensão limiar

16 Modos de operação do Diodo Gunn Modo de carga espacial limitada (continuação) A potência útil de saída de um circuito oscilador ou amplificador é: P o = ηvi V = tensão aplicada I = corrente aplicada Para um diodo Gunn, a expressão é: P o = ηmeln eva 0 M = relação entre a tensão de polarização e a tensão limiar E = campo elétrico limiar (kv/cm) L = comprimento em centímetros N 0 = concentração de doadores e = carga de um elétron A = área da seção reta do componente em cm 2

17 Diodo IMPATT IMPATT = ImPact Avalanche And Transit Time. Opera na região de avalanche (polarização inversa, mediante a aplicação de um campo elétrico intenso e tensão de polarização de 70 a 100 volts. O efeito avalanche não é instantâneo. Ocorre um rápido atraso de fase entre a aplicação da tensão de ruptura e o surgimento da corrente de avalanche. Em 1959, W. T. Read, dos Laboratórios Bell lançou a tese de que o retardo na fase poderia criar uma resistência negativa, fato este confirmado em 1965, no mesmo Laboratório, por Lee e Johnson, com a invenção do então denominado diodo Read. O componente criado gerou 80 mw em 12 GHz, com uma junção PN de silício. A partir daí passou a chamar-se diodo IMPATT.

18 Diodo IMPATT A estrutura física é semelhante à do diodo PIN. A tensão aplicada causa ruptura momentânea, uma vez em cada ciclo. O processo gera uma corrente pulsante através do componente. É utilizado basicamente em osciladores de microondas, podendo chegar a 300 GHz, com rendimento de até 15%. Possuem baixo rendimento, o que limita seu uso em transmissões pulsadas, na maioria dos casos, além de ter seu desempenho dependente da temperatura.

19 Diodo IMPATT Principais aplicações: Receptores de radar de trânsito; Sistemas de alarme; Amplificadores com resistência negativa; Multiplicadores de freqüência. Apesar da estrutura básica mostrada, pode ser encapsulado de várias formas, conforme a conveniência. É mais ruidoso que o diodo Gunn porém possuem melhor estabilidade e potência mais elevada. Sua principal desvantagem é o elevado ruído de fase gerado pelo processo de avalanche.

20 Diodo IMPATT Estrutura e perfil de dopagem Camada intrínseca Podem ser construídos à base de silício (até 10 W) ou arsenieto de gálio (até 20 W).

21 Diodo IMPATT Possui duas regiões: a de avalanche (ou de injeção) e a de deslocamento. Pares elétrons- lacunas são criados no ponto de campo elétrico mais elevado (região de avalanche) e são fortemente acelerados. Na avalanche, os portadores, ao colidirem com a rede cristalina, liberam outras portadoras. Os novos portadores liberados são também acelerados, liberando ainda mais portadores, A presença da resistência negativa combinada com o efeito avalanche gera uma oscilação na faixa de microondas.

22 Diodo IMPATT Durante a oscilação ocorre uma efeito de defasagem de 180 entre a tensão e a corrente induzida. Pares elétrons- lacunas são criados no ponto de campo elétrico mais elevado (região de avalanche) e são fortemente acelerados. Na avalanche, os portadores, ao colidirem com a rede cristalina, liberam outras portadoras. Os novos portadores liberados são também acelerados, liberando ainda mais portadores, A presença da resistência negativa combinada com o efeito avalanche gera uma oscilação na faixa de microondas. O diodo IMPATT opera com tensões de polarização da ordem de 70 V CC, ou mais, o que restringe suas aplicações.

23 Diodo IMPATT Exemplo de especificações Specifications Frequency Band Q V W Frequency Range (GHz) Waveguide Size WR-22 WR-15 WR-10 Bandwidth Range (GHz) Power Output Range (Watts) Long Pulse (pulse width 1 us - 1 ms / duty 0-50%) Short Pulse (pulse width ns / duty 0-0.5%) Up to 2 GHz depending on number of stages

24 Diodo IMPATT Exemplo de especificações Specifications Frequency Band Q V W Frequency Range (GHz) Waveguide Size WR-22 WR-15 WR-10 Bandwidth Range (GHz) Up to 2 GHz depending on number of stages Power Output Range (Watts) Gain Range (db) Single Stage Double Stage

25 Diodo Schottky

26 Diodo Schottky V d Baseia-se em uma junção metalsemicondutor de baixíssima capacitância; Principais aplicações: conversão de freqüência; retificação; demodulação de amplitude. Pode ser modelado como um resistor não linear na forma: I ( V ) α = q nkt T = 290 K 1,2 I s = = n I S corrente ( αv e 1) 2 de 1 (25 ( a 10 A) mv ) saturação

27

28

29

30

31

32 Diodo PIN Sua principal utilidade é em comutadores para microondas, em substituição aos mecânicos, lentos e volumosos. Tempo de comutação pode ser inferior a 10 ns; Valores típicos: Capacitância da junção (Cj): 1 pf Indutância da camada I (Li): 0,5 nh Resistência inversa (R r ): 5 Ω Resistência direta (R f ): 1 Ω Efeitos parasitas devido ao encapsulamento não estão indicados nos circuitos equivalentes ao lado.

33 Diodo PIN

34 Diodo PIN

35 Diodo PIN

36 Diodo PIN - Exercício Um comutador foi construído com um diodo PIN com os seguintes parâmetros: Capacitância da junção (Cj): 0,1 pf Indutância da camada I (Li): 0,4 nh Resistência inversa (Rr): 1 Ω Resistência direta (Rf): 5 Ω Considerar uma freqüência de operação de 5 GHz e uma impedância Z 0 = 50 Ω, qual das configurações apresentará menor perda de inserção, série ou paralelo?

37 Diodo varactor Varicap A polarização inversa de um diodo faz surgir na junção uma região com características de dielétrico (região de depleção). Menor tensão de polarização Região de depleção mais estreita Maior capacitância A largura da região de depleção depende, entre outras coisas, da tensão inversa, enquanto a tensão de ruptura não é atingida. Como a largura da região de depleção varia, tem-se uma capacitância variável. Diodos construídos para funcionar com capacitância variável são denominados diodos varactores ou varicaps. Maior tensão de polarização Região de depleção mais larga Menor capacitância Principais aplicações: transceptores móveis; redes locais de computadores via rádio; receptores de televisão, etc.

38 Diodo varactor (variable reactor ) Menor tensão de polarização Região de depleção mais estreita Maior capacitância Maior tensão de polarização Região de depleção mais larga Menor capacitância Basicamente, todo diodo apresenta as características do varactor. Entretanto, os diodos que são produzidos especificamente para funcionar como varactor tem estas características enfatizadas na produção. Nem todo varactor é formado por diodo. Em alguns componentes, como o CMOS, os varactores podem ser construídos através da implantação de uma região fortemente dopada positivamente (implante P+) dentro de uma região levemente dopada positivamente.

39 Diodo varactor R s C 0 (geralmente 0,2 pf) e V 0 (geralmente 0,5 V) são constantes; R j C j (V) γ é um expoente que varia entre 1/3 e 5, de acordo com o perfil de dopagem do semicondutor. Valor típico: 0,5; C ( V) j 0 = γ 1 C V V 0 R j é uma resistência em série da junção e de contato com os terminais, da ordem de poucos ohms; A capacitância da junção varia de 0,1 pf a 0,2 pf para variações de tensão de polarização de 2,0 a 0 volts. A largura da região de depleção é, geralmente, proporcional à raiz quadrada da tensão aplicada.