Capítulo 2 Diodos para Microondas

Transcrição

1 Capítulo 2 Diodos para Microondas O objetivo deste capítulo é apresentar os principais diodos utilizados na faixa de microondas, bem como algumas de suas aplicações. Os diodos estudados são: Diodo Túnel Diodo Varicap Diodo P-I-N

2 Diodo Túnel Os diodos convencionais possuem uma dopagem da ordem de 1:10 6 (um átomo de impureza para 1 milhão de átomos de cristal). Esta dopagem resulta em uma região de exaustão da ordem de 1mm. O comprimento da região de exaustão é inversamente proporcional à concentração de dopagem do semicondutor. Para uma dopagem da ordem de 1:10 3 o comprimento da região de exaustão é sensivelmente reduzido, passando para 0,01mm. Neste caso há um aumento na probabilidade do elétron ultrapassar a barreira de potencial, mesmo que este não possua energia suficiente. Esta migração ocorre quando há elétrons livres e lacunas no mesmo nível de energia e a barreira de potencial é muito fina. Este efeito recebe o nome de tunelamento, efeito túnel ou efeito Esaki. O nível de Fermi em cristais N com alta dopagem deixa de estar localizado na banda proibida e passa a ser encontrado dentro da banda de condução. Nos cristais P com alto índice de dopagem, o nível de Fermi passa para a banda de valência.

3 Nível de Fermi para semicondutores altamente dopados

4 Efeito Túnel Ao fazer a junção de um cristal P e um cristal N com alta dopagem ocorre o equilíbrio do nível de Fermi.

5 Diodo Túnel - Polarização Reversa A polarização reversa da junção P-N resulta na migração. Alguns estados da banda de valência de P possuem a mesma energia que os estados na banda de condução de N. Os elétrons, por efeito túnel, ultrapassam a barreira de potencial e preenchem os estados vazios em N, gerando uma corrente reversa

6 Diodo Túnel - Polarização Direta A polarização direta da junção P-N resulta em um aumento do nível de Fermi do cristal N, passando a ocorrer uma corrente direta em função do efeito Túnel. Essa corrente é máxima quando todos os estados preenchidos de N se alinham com os estados vazios de P. Se a tensão continuar a crescer, então a corrente irá diminuir. Condução Condução Condução Condução Banda Proibida Banda Proibida Banda Proibida Banda Proibida Valência Valência Valência Valência P Região de Exaustão (a) N P Região de Exaustão (b) N P Região de Exaustão (c) N P Região de Exaustão (d) N

7 Diodo Túnel - Curva Característica Além do efeito túnel, também há a corrente devida a polarização direta do dispositivo. I D Efeito Túnel Comportamento de uma junção PN convencional (2) (4) (3) V D (1)

8 Diodo Túnel - Curva Característica I D I P Trecho de resistência negativa I I I V V P VI V V V F V D Simbologias

9 Diodo Túnel - Fatos importantes Existem uma região onde o diodo túnel apresenta uma resistência negativa. A corrente pelo diodo nesta região é dada por: Corrente de pico I P : é o valor de corrente na qual a inclinação da curva característica do diodo muda de positiva para negativa, à medida que se aumenta a tensão de polarização direta. Tensão de pico V P : é o valor da tensão direta que corresponde à corrente de pico na curva característica do diodo túnel. Corrente de vale I V : é o valor da corrente na qual a inclinação na curva característica do diodo muda de negativa para positiva, à medida em que se aumenta a tensão de polarização direta.

10 Diodo Túnel - Fatos importantes Tensão de vale V V : é a tensão correspondente a corrente de vale. Ponto de polarização direta V F : é o valor de tensão acima da tensão de vale no qual a corrente é igual a corrente de pico I P. Tensão no ponto de inflexão V I : é a tensão na qual a inclinação negativa da curva característica atinge seu valor máximo. Corrente do ponto de inflexão I I : é o valor da corrente correspondente à tensão no ponto de inflexão. A região de resistência negativa está localizada em uma faixa de tensão que varia entre 25mV e 500mV. Portanto, o diodo túnel deve sempre ser polarizado por uma fonte de alta estabilidade. Os valores típicos para corrente de pico encontram-se entre 2mA e 100mA. Os valores típicos para corrente de vale encontram-se entre 0,5mA e 10mA. O centro da região de resistência negativa possui valores entre -20W e -100W.

11 Diodo Túnel - Valores Típicos

12 Diodo Túnel - Resistência Dinâmica A resistência dinâmica do diodo túnel pode ser obtida através do inverso da derivada da corrente direta do diodo. O valor da resistência dinâmica do diodo também pode ser obtida graficamente, quando a curva característica do diodo é conhecida. Para isso, deve-se conhecer o ponto de operação desejado e então traçar uma tangente a este ponto. A inclinação da tangente obtida corresponde ao inverso da resistência negativa, ou seja:

13 Diodo Túnel - Resistência Dinâmica Exercício: encontre o valor da resistência negativa para o ponto indicado abaixo, utilizando o método analítico e o método gráfico. Dados: I D Vp=55mV; Ip=8mA; I D1 V D =200mV; I D I D V D1 =180mV; V D2 =220mV; I D2 I D =2mA; V D I D1 =2,5mA; V D1 V D V D2 V D I D2 =1,4mA

14 Diodo Túnel - Variação Térmica Todo dispositivo semicondutor sofre variação de suas características com a alteração da temperatura. Essa variação de temperatura pode causar danos permanentes na junção, caso a temperatura de armazenagem e de operação ultrapasse os valores limites. As tensões evolvidas na curva característica de um diodo túnel normalmente sofrem um decréscimo com o aumento da temperatura. A tabela abaixo apresenta alguns valores médios de variação térmica, a partir de uma temperatura de referência (24 C).