Diodos Semicondutores

FACULDADE SANTO AGOSTINHO - FSA ENGENHARIA ELÉTRICA Diodos Semicondutores Prof. Fábio Leite, Esp

As 12 normas de convivência 1. - Recomenda-se chegar à aula no horário estabelecido. 2. Evitar o uso do celular e colocar obrigatoriamente no silencioso durante as aulas, pois a participação ativa nas aulas é sempre incentivada. 3. - As provas tem duração de no máximo 100 minutos. 4. - Quem chegar com até 30 minutos de atraso em prova será autorizado a entrar desde que nenhum aluno tenha saído até aquele momento. Além disso, não ganhará tempo de compensação. 5. - Depois de entregar a prova, o aluno não pode ficar no corredor das salas. 6. - Não é permitida a ida ao banheiro durante a prova. 7. - A prova deverá necessariamente ser preenchida por caneta esferográfica de tinta azul ou preta. Não serão aceitas reclamações à lápis. 8. - Não é permitido durante a prova pedir qualquer material ao colega. 9. - Não serão permitidas calculadoras gráficas, celulares ou qualquer outro dispositivo que permita comunicação. 10. - A boa organização da apresentação é responsabilidade do aluno sendo objeto de avaliação, desta forma caso não seja possível compreender adequadamente as questões, estas serão consideradas sem efeito. 11. - Não haverá atendimento individual durante a prova. 12. - Qualquer violação do comportamento adequado será punida com as medidas administrativas previstas no regimento da faculdade.

REGIMENTO GERAL DA FSA CAPÍTULO V DA AVALIAÇÃO E DO DESEMPENHO ACADÊMICO Art. 76. A avaliação do desempenho acadêmico é feita por disciplina de forma processual, quantitativa, qualitativa e contínua, incidindo sobre a frequência e o aproveitamento. Art. 77. A frequência às aulas e demais atividades escolares, permitidas aos alunos matriculados, é obrigatória, vedado o abono de faltas, salvo os casos previstos em legislação específica. 1º. Independentemente dos demais resultados obtidos, é considerado reprovado na disciplina o aluno que não obtenha frequência de no mínimo 75% (setenta e cinco por cento) das aulas e demais atividades programadas.

REGIMENTO GERAL DA FSA 2º. A verificação e o registro de frequência são de responsabilidade do professor. Art.78. O aproveitamento escolar é avaliado através do acompanhamento contínuo do aluno e dos resultados por ele obtidos nos exercícios escolares e no exame final. 1º. Compete ao professor da disciplina elaborar os exercícios escolares sob a forma de avaliações e determinar os demais trabalhos, bem como lhes julgar os resultados. 2º. As avaliações da aprendizagem, em número mínimo de 03 (três) por semestre visam à avaliação progressiva do aproveitamento do aluno e constam de avaliações escritas, sob a forma de testes dissertativos e outras formas de verificação previstas no plano de ensino da disciplina.

REGIMENTO GERAL DA FSA Art. 79. A cada verificação de aproveitamento é atribuída uma nota em grau numérico de 0 (zero) a 10 (dez). 1º. Ressalvado o disposto no 2º deste artigo, atribui-se nota 0 (zero) ao aluno que deixar de submeter-se à verificação na data fixada, bem como ao que nela se utilizar de meio fraudulento. 2º. Ao aluno que deixar de comparecer à avaliação na data fixada, poderá ser concedida segunda oportunidade, requerida, no prazo de 05 (cinco) dias corridos.

REGIMENTO GERAL DA FSA Art. 80. Atendida em qualquer caso a frequência mínima de 75% (setenta e cinco por cento) às aulas e a demais atividades escolares é aprovado: I. independente de exame final, o aluno que obtiver média de aproveitamento não inferior a 07 (sete) correspondente à média aritmética das notas dos exercícios escolares realizados durante o semestre letivo; II. o aluno que, mediante exame final, obtiver média aritmética igual ou superior a 06 (seis), resultante da média aritmética do semestre letivo e a nota do exame final. 1º. As notas de cada avaliação poderão ser arredondadas em até 0,2 (dois décimos). 2º. As médias são apuradas até a primeira decimal, sem arredondamento. 3º. Fica reprovado, sem direito a exame final, o aluno que atingir média inferior a quatro nas avaliações realizadas durante o semestre letivo.

REGIMENTO GERAL DA FSA Art. 81. O aluno reprovado por falta, mesmo que obtenha as notas mínimas exigidas, repetirá a disciplina obedecendo aos critérios de frequência e aproveitamento, estabelecidos neste Regimento Geral. Art. 82. É promovido à série seguinte o aluno aprovado em todas as disciplinas da série cursada, admitindo-se, ainda a promoção com até 02 (duas) dependências. 1º. O aluno com 03 (três) ou mais dependências deverá cursá-las primeiro e, posteriormente, prosseguir os estudos na série subseqüente. 2º. As Coordenações de Cursos fixarão normas, diretrizes e critérios para o cumprimento da(s) disciplina(s) em regime de dependência

Diodos O diodo é um dispositivo de dois terminais. Idealmente, um diodo conduz somente em uma única direção.

Características do Diodo Ideal Região de condução Região de não condução A tensão ao longo do diodo é de 0 V A corrente é infinita A corrente direta é definida pela fórmula R F = V F / I F O diodo se comporta como um curto Toda a tensão fica ao longo do diodo A corrente é de 0 A A resistência reversa é definida pela fórmula R R = V R / I R O diodo se comporta como aberto

Materiais semicondutores Materiais geralmente utilizados no desenvolvimento de dispositivos semicondutores: o Silício (Si). o Germânio (Ge). o Arseneto de gálio (GaAs).

Dopagem As características elétricas do silício e do germânio são melhoradas pela adição de materiais em um processo denominado dopagem. Há somente dois tipos de materiais semicondutores dopados: tipo n Materiais do tipo n contêm excesso de elétrons na banda de condução. tipo p Materiais do tipo p contêm um excesso de lacuna na banda de valências.

Junções p-n Uma extremidade de um cristal de silício ou germânio pode ser dopada como um material do tipo p e a outra extremidade como um material do tipo n. O resultado é uma junção p-n

Junções p-n Na junção p-n, o excesso de elétrons na banda de condução no lado do tipo n é atraído para as lacunas na banda de valência no lado do tipo p. Os elétrons no material do tipo n migram ao longo da junção para o material do tipo p (fluxo de elétrons). A migração de elétrons resulta em uma carga negativa no lado do tipo p da junção e em uma carga positiva no lado do tipo n da junção.

Junções p-n O resultado é a formação de uma região de depleção em torno da junção.

Condições de operação do diodo ideal Um diodo tem três condições de operação: o Ausência de polarização. o Polarização direta. o Polarização reversa.

Condições de operação do diodo Ausência de polarização o Nenhuma tensão externa é aplicada: V D = 0 V. o Não há corrente no diodo: I D = 0 A. o Só uma modesta depleção.

Condições de operação do diodo Polarização reversa o Uma tensão externa é aplicada ao longo da junção p-n na polaridade oposta dos materias do tipo p e n.

Condições de operação do diodo Polarização reversa o A tensão reversa faz com que a área da região de depleção aumente. o Os elétrons no material do tipo n são atraídos para perto do terminal positivo da fonte de tensão. As lacunas no material do tipo p são atraídos para perto do terminal negativo da fonte de voltagem.

Condições de operação do diodo Polarização direta o Uma tensão externa é aplicada ao longo da junção p-n na mesma polaridade dos materiais do tipo p e n.

Condições de operação do diodo Polarização direta o A tensão direta faz com que a área da região de depleção diminua. o Os elétrons e lacunas são empurrados em direção à junção p-n. Os elétrons e lacunas têm energia suficiente para cruzar a junção p-n.

Exercícios diodo ideal Calcule os valores de I e V e informe se o diodo está em corte ou conduzindo.

Diodo Real Característica i-v de um diodo de junção feitos de silício e suas regiões de operação. Polarização direta v > 0. Polarização reversa v < 0. Ruptura v < -V ZK.

Diodo Real A relação i-v é aproximada pela equação de Shockley: nvt i I ( e 1) S v I S Corrente de saturação. V T Tensão térmica. n Constante (de 1 a 2) que depende do material e da estrutura física.

Diodo Real Corrente de Saturação I S. I S é constante para um determinado diodo e uma temperatura. Diretamente proporcional à área da secção transversal do diodo. I S 10-15 A Baixa potência. Dobra a cada aumento de 5 C.

Diodo Real Tensão Térmica V T. V T kt q V 25 T mv k = 1,38*10-23 Joules/Kelvin (Constante de Boltzmann). T = 273 + temp ( C) (Temperatura absoluta em kelvin). q = 1,6*10-19 Coulomb (Carga do elétron).

Variação da equação do Diodo Real nvt i I ( e 1) S Região de Polarização Direta (v > 0) i I i I e S ou v nv ln v v v nv nv T T i I e I I e T SS i I S 1 S V1 nv T Região de Polarização Inversa v<0 e v >VT (25 mv). v nvt i I Ie S I I S 1

Variação da equação do Diodo Real Região de Ruptura ou Região Zener v < V Z Tensão inversa excede um valor específico chamado de tensão de ruptura V Z. Deve-se limitar a potência dissipada no diodo via circuitos externos. O diodo nesta região é usado para regulação de tensão.

Região Zener A região Zener fica na região de polarização reversa do diodo. Em um certo momento, a voltagem da polarização reversa é tão alta que o diodo é rompido e a corrente reversa aumenta drasticamente. A tensão reversa máxima que não levará um diodo à região Zener é denominada tensão de pico inversa ou tensão de pico reversa. A tensão que faz com que um diodo entre na região Zener de operação é denominada tensão Zener (V Z ).

Região Zener Efeitos para atingir a região de ruptura: Avalanche Zener

Tensão de polarização direta O ponto no qual o diodo muda da condição de ausente de polarização para a condição de com polarização direta ocorre quando os elétrons e as lacunas fornecem energia suficiente para cruzar a junção p-n. Essa energia vem da tensão externa aplicada ao longo do diodo. A tensão de polarização direta necessária para um: o Diodo de arseneto de gálio 1.2 V o Diodo de silício 0.7 V o Diodo de germânio 0.3 V

Efeitos da temperatura À medida que a temperatura aumenta, é adicionada energia ao diodo. Ela reduz a tensão de polarização direta necessária para condução de polarização direta. Ela aumenta a quantidade de corrente reversa na condição de polarização reversa. Ela aumenta a tensão máxima de avalanche da polarização reversa. Os diodos de germânios são mais sensíveis a variações de temperatura que os de silício ou de arseneto de gálio.

Níveis de resistência Semicondutores reagem de modo diferente a correntes CC e CA. Há três tipos de resistência: o Resistência CC (estática). o Resistência CA (dinâmica). o Resistência CA média.

Resistência CC (estática) Para um tensão CC específica aplicada (V D ), o diodo tem uma corrente específica (I D ) e uma resistência específica (R D ). R D V I D D

Resistência CA (dinâmica) Na região de polarização direta: r d 25 mv I D r B A resistência depende da quantidade de corrente (I D ) no diodo. A tensão ao longo do diodo é razoavelmente constante (25 mv para próximo de 25 C). r B varia de típico 0,1 para dispositivos de alta potência a 2 para baixa potência, diodos de uso geral. Em alguns casos o r B pode ser ignorado.

Resistência CA (dinâmica) Em região de polarização reversa: r d A resistência é efetivamente infinita. O diodo se comporta como um aberto.

Resistência CA média r av ΔV ΔI d d pt. to pt. A resistência CA pode ser calculada utilizando-se a corrente e a tensão marca dois pontos na curva característica do diodo.

Circuito equivalente do diodo

Exercício 1 Determine I, V 1, V 2 e V 0. Utilize o modelo de queda de tensão constante. E1 E2 R1 I R2I V D 0 I 2,07mA V1 9,73V V2 4,55V V0 0,45V

Exercício 2 Determine V 0, I 1, I D1 e I D2. Utilize o modelo de queda de tensão constante. I1 28,18mA I 1 I 2 14,09mA V0 0,7V D D

Exercício 3 Determine I. Utilize o modelo de queda de tensão constante. I 6,95mA

Exercício 4 Determine o valor de I. Utilize o modelo de queda de tensão constante. I 9,3mA

Capacitância do diodo Quando reversamente polarizada, a camada de depleção fica muito grande. As fortes polaridades negativa e positiva do diodo criam capacitância (C T ). A quantidade de capacitância depende da tensão reversa aplicada. Quando polarizada diretamente, a capacidade de armazenamento ou a capacidade de difusão passa a existir à medida que a tensão do diodo aumenta.

Capacitância do diodo

Tempo de recuperação reversa (t rr ) Tempo de recuperação reversa é o tempo necessário para um diodo para de conduzir quando sua polarização é alternada de direta para reversa.

Folhas de dados do diodo Folhas de dados do diodo contêm informações-padrão, fazem comparações de diodos para verificar se necessitam ser substituídos ou se seu design precisa ser melhorado. 1. Tensão direta (V F ) a uma corrente e temperatura específicas. 2. Corrente direta máxima (I F ) a uma temperatura específica. 3. Corrente de saturação direta (I R ) a uma tensão e temperatura específicas.

Folhas de dados do diodo 4. Taxa de tensão reversa, PIV ou PRV ou V (BR), a uma temperatura específica. 5. O valor máximo de dissipação de potência a uma temperatura específica. 6. Níveis de capacitância. 7. Tempo de recuperação reversa, t rr. 8. Faixa de temperatura de operação.

Símbolo de diodo e embalagem A abreviação de ânodo é a letra A. A abreviação de cátodo é a letra K.

Teste do diodo Diodos são comumente testado utilizando-se um desses tipos de equipamento: o Testador do diodo. o Ohmímetro. o Traçador de curva.

Testador do diodo Muitos multímetros digitais têm uma função de teste de diodo. O diodo deve ser testado fora de circuito. Um diodo normal exibe sua tensão direta da seguinte forma: o Arseneto de gálio 1.2 V o Diodo de silício 0.7 V o Diodo de germânio 0.3 V

Ohmímetro Um ohmímetro ajustado em um baixa escala de Ohms pode ser utilizado para testar um diodo. O diodo deve ser testado fora do circuito.

Traçador de curva Um traçador de curva exibe a curva característica de uma diodo no circuito-teste. Essa curva pode ser comparada às especificações do diodo de uma folha de dados.

Outros tipos de diodo Há muitos tipos de diodo além do padrão, o diodo de junção p-n. Três dos mais comuns são: o Diodos Zener. o Diodos emissores de luz. o Diode arrays.

Diodo Zener Um diodo Zener é aquele desenvolvido para operar de modo seguro em sua região Zener, ou seja, polarizado em uma tensão Zener (V Z ). Faixas comuns de tensão de um diodo Zener ficam entre 1.8 V e 200 V

Diodo emissor de luz (LED) Um LED emite luz quando está polarizado diretamente, o que pode acontecer num espectro infravermelho ou visível. A tensão polarizada direta fica geralmente na faixa de 2 V a 3 V.

Diodo Arrays Múltiplos diodos podem ser embalados juntos em um circuito integrado (CI). Está disponível no mercado uma grande variedade de configurações de diodo.

Bibliografia Básica Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky, Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos, 11ª Ed., Prentice Hall Brasil, Pearson (2013) SEDRA, A.S.; SMITH, C. Microeletrônica. 5 ed. Makron Books. Ashfaq Ahmed, Eletrônica de Potência, Prentice Hall Brasil, Pearson