Introdução a Diodos Semicondutores

AULA 03 Introdução a Diodos Semicondutores Rodrigo Reina Muñoz rodrigo.munoz@ufabc.edu.br T1 2018

Conteúdo o O Diodo não Polarizado o O Diodo não Polarizado Camada de Depleção o Polarização Direta o Polarização Reversa o Tensão de Ruptura o Simbologia o Aproximações para o Diodo o A Curva Característica do Diodo (Simulação) o Especificação de Potência e de Corrente o Exercícios 2 2

O Diodo não Polarizado o É bastante útil a produção de um cristal como o da Figura a seguir, isto é, uma união da parte do tipo-p com outra do tipo-n. o A região onde os cristais tipo-p e tipo-n são unidos chama-se junção. o Esta junção pn é conhecida como diodo semicondutor. OBS: Usualmente uniões abruptas como a ilustrada não são utilizadas na produção de diodos. O mais comum é usar união gradual. 3 3

O Diodo não Polarizado Camada de Depleção o Devido a repulsão mútua, elétrons livres no lado n difundem para o lado p. o Quando um elétron livre sai da região n cria-se um átomo carregado positivamente (um íon positivo) na região n. o À medida que penetra na região p, o elétron livre: - torna-se um portador minoritário e - preenche uma lacuna (quando isto ocorre, a lacuna desaparece e o átomo associado torna-se carregado negativamente - íon negativo). 4 4

O Diodo não Polarizado Camada de Depleção o À medida que o número de íons aumenta, a região próxima à junção esvaziase de elétrons livres e lacunas (depleção). o A camada de depleção age como uma barreira dificultando a continuação da difusão de elétrons livres através da junção. o A largura da camada de depleção continua aumentando com cada elétron que a atravessa até que se atinja uma condição de equilíbrio. o Esta barreira de potencial (Tensão Interna) é dada pela expressão a seguir.: Tensão Térmica, 25 mv 5 5

O Diodo não Polarizado Camada de Depleção A largura da camada de depleção é dada por: Onde x n e x p são as larguras da região de depleção, respectivamente, nos lados n e p do diodo. ε s é a permissividade elétrica do silício = 11,7 ε 0 ε s = 1,04x10-12 F/cm 6 6

O Diodo não Polarizado Camada de Depleção Exercício 1 Para uma junção pn com N A = 10 17 /cm 3 e N D = 10 16 /cm 3 a uma temperatura ambiente T = 300 K, determine a tensão interna, a largura da região de depleção e as distâncias pelas quais ela se estende no lado p e no lado n. Utilize n i = 1,5x10 10 /cm 3. Resposta: V 0 = 0,728 V; W dep = 0,32 µm; x p = 0,03 µm e x n = 0,29 µm Exercício 2 Comente os resultados obtidos no Exercício 1, por exemplo, justifique o fato de x p << x n e sugira maneiras para obter-se diodos bem menores, ou seja, que não sejam limitados, em tamanho, por um W dep = 0,32 µm. 7 7

Polarização Direta o Na polarização direta, o terminal positivo da fonte é ligado ao material tipop, e o terminal negativo ao material tipo-n. o À medida que aumenta-se a d.d.p. da bateria a barreira de potencial diminue e mais elétrons passam da região n para a região p. Polarização direta Diagrama de Bandas de Energia 8 8

Polarização Direta o A polarização direta pode produzir uma alta corrente elétrica. o O negativo da fonte repele os elétrons livres da região n para a junção. o Estes elétrons podem atravessar a junção e encontrar as lacunas. o A recombinação ocorre em distâncias variáveis a partir da junção. o À medida que os elétrons encontram as lacunas, eles se tornam elétrons de valência. o Como elétrons de valência, os elétrons continuam a se deslocar para a esquerda através das lacunas no material p até ao positivo da fonte. 9 9

Polarização Reversa o Se mudar a polarização da fonte CC, o diodo estará com polarização reversa. o Os elétrons livres na região n passam a se afastar da junção em direção ao terminal positivo da fonte. As lacunas da região p também passam a se deslocar da junção para o terminal negativo. o Camada de depleção fica mais larga. Polarização reversa Bandas de energia. 10 10

Polarização Reversa o A energia térmica cria continuamente um número limitado de elétrons livres e de lacunas de ambos os lados da junção, originando os portadores minoritários. o A corrente reversa produzida pelos portadores minoritários é chamada corrente de saturação e é designada por I S. o Somente um aumento de temperatura pode aumentar I S. o Com base na experiência, para os diodos de silício, I S tem o seu valor quase dobrado a cada aumento de 10ºC na temperatura. o Exemplos: O valor de I S será 5 na a 25ºC, 10 na a 35ºC, 20 na a 45ºC,... 11 11

Polarização Reversa o A corrente de fuga superficial I FS é produzida por impurezas da superfície que criam trajetos ôhmicos para a corrente. o A corrente reversa I R é a soma das corrente I S e I FS. o É especificada para um dado valor de tensão reversa V R e à temperatura ambiente T A. o Como I S varia com a temperatura e I FS com a tensão, I R varia com a temperatura e com a tensão. o Exemplo: no diodo ln914, a corrente I R é de 25 na para uma tensão reversa V R = 20 V à temperatura ambiente T A = 25ºC. Se aumentar ou a temperatura ou a tensão, a corrente reversa aumenta. 12 12

Tensão de Ruptura o Se aumentar-se muito a tensão reversa, pode-se atingir a tensão de ruptura do diodo (V BR ). o Devido à polarização reversa, o campo elétrico pode aumentar ao ponto de quebrar enlaces covalentes e gerar pares elétron-lacuna. Estes portadores são barridos pelo campo elétrico. o Quanto maior a polarização reversa, mais rápido desloca-se o elétron (o que equivale a um ganho de energia). Isto causa em última instância a corrente de avalanche. o O Efeito de avalanche está mais ligado a portadores livres que cruzam a região de depleção, ganhando suficiente energia cinética por causa do alto campo elétrico. Ao colidir com os átomos, liberam mais portadores que contribuirão com o fenômeno de avalanche. 13 13

o Por causa do aumento da corrente, o diodo conduzirá intensamente e eventualmente será danificado pela excessiva potência dissipada. A corrente será limitada pelo resistor externo escolhido. o O processo de ruptura não é um processo destrutivo, desde que a dissipação de potência máxima não seja excedida. 14

Curva característica do diodo 15

Região Zener Aplicando uma tensão suficientemente negativa resulta em mudança brusca da curva (região em destaque da figura). - O potencial de polarização reversa que ocasiona essa mudança é chamado de potencial Zener (V z ). Ruptura por avalanche: Aumentando a polarização reversa continuamente, tem-se um ponto no qual ocorre um aumento na velocidade dos portadores minoritários e o consequente ganho de energia cinética, liberando outros portadores por colisão com outros átomos, fazendo com que elétrons de valência absorvam energia e deixam seus átomos de origem. Esses portadores adicionais por sua vez ajudam no processo de ionização, dando lugar a uma alta corrente de avalanche (ruptura por avalanche). 16

Região Zener Em tensões menores, tais como -5 V, tem lugar outro mecanismo de ruptura, conhecido como ruptura Zener. Esse fenômeno deve-se à existência de altos campos elétricos na região da junção que pode perturbar as forças de ligação dentro do átomo e criar portadores livres. Os diodos que utilizam essa parte da curva são chamados diodos Zener. Tensão de pico inversa PIV. É o potencial máximo de polarização reversa que pode ser aplicado ANTES que o diodo entre na região zener. 17

Comparação de diodos Silício e Germânio VT silício = 0.7 V VT Germânio = 0.3 V 18

Efeitos da temperatura em diodos I S dobra para cada 10º de aumento em temperatura. 19

Simbologia 20 20

Aproximações do Diodo o Primeira Aproximação - O Diodo Ideal 21 21

Aproximações do Diodo o Segunda aproximação 22 22

Aproximações do Diodo o Terceira aproximação 23 23

A Curva Característica do Diodo Levantamento da Curva Característica usando o simulador de circuitos CircuitMaker : http://my.ece.ucsb.edu/bobsclass/2c/simulation/circuit_maker.htm A simulação consiste em montar-se o circuito acima, variar a d.d.p. da fonte de tensão e medir a tensão elétrica sobre o diodo e a corrente elétrica no circuito. Finalmente, fazer o gráfico da corrente como função da d.d.p. no diodo. Verifica-se o início da condução do diodo e o valor aproximado da tensão interna. Também verifica-se a parte da curva característica tendo-se o diodo polarizado reversamente. 24 24

V (Fonte) V (Diodo) I (Circuito) 0,1 9,998E-02 2,167E-08 0,2 1,998E-01 2,101E-07 0,3 2,981E-01 1,851E-06 0,4 3,869E-01 1,314E-05 0,5 4,486E-01 5,140E-05 0,6 4,850E-01 1,150E-04 0,7 5,082E-01 1,918E-04 0,8 5,246E-01 2,754E-04 0,9 5,371E-01 3,629E-04 1 5,471E-01 4,529E-04 1,2 5,626E-01 6,374E-04 1,4 5,743E-01 8,257E-04 1,6 5,837E-01 1,016E-03 1,8 5,916E-01 1,208E-03 2 5,983E-01 1,402E-03 2,5 6,118E-01 1,888E-03 3 6,223E-01 2,378E-03 6 6,590E-01 5,341E-03 10 6,844E-01 9,316E-03 15 7,039E-01 1,430E-02 Volts Volts Ampères Diretamente Polarizado 200-5,062E+01-1,49E-01 100-5,057E+01-4,943E-02 70-5,052E+01-1,948E-02 50-5,000E+01-6,932E-07 20-2,000E+01-2,026E-07 10-1,000E+01-1,026E-07 5-5,000E+00-5,255E-08 2,5-2,500E+00-2,755E-08 1-1,000E+00-1,255E-08 Reversamente Polarizado Diodo utilizado: 1N4001 25 25

A Curva Característica do Diodo Na polarização direta, à medida que nos aproximamos do potencial da barreira (por volta de 0,7 V para um diodo de silício e 0,3 V para o diodo de germânio), os elétrons livres e as lacunas começam a atravessar a junção e, portanto, a corrente aumenta de valor significativamente. 26 26

Resistência estática (cc) A resistência estática é determinada pela tensão cc aplicada como: R D = V D /I D 27

Resistência ca ou dinâmica Aplicando uma tensão variável (senoide), variando ao redor do ponto de operação DC, a resistência do diodo mudará ao redor desse ponto. Para sua determinação, traça-se uma reta tangente ao ponto de operação, e mede-se a variação de tensão e corrente. Deve-se manter uma variação de tensão e corrente tão pequena como seja possível equidistante de cada lado do ponto Q. R d = V d / I d 28

Resistência ca ou dinâmica Basicamente, a resistência ca é a derivada da curva no ponto Q. di dv D D = d dv [ I s ( kv D / T k e 1)] Resultando em: di dv D D k T = ( ID + Is) k k T k I D k = 11.600/1 para Si. Substituindo: r e = 0,026/I D = 26 mv/i D Assim, a resistência ca é determinada pela corrente DC. A equação é válida na região de aumento vertical da curva. 29

Especificação de Potência e de Corrente o Uma forma de se destruir um diodo é excedendo a sua tensão reversa de ruptura. o Uma outra forma de arruiná-lo é excedendo a sua especificação máxima de potência. o O ln914 tem uma especificação máxima de potência de 250 mw. o A folha de dados do ln4003 não inclui a especificação máxima de potência, mas ela especifica uma corrente CC direta máxima de 1 A. o Existem duas classes de diodos retificadores: i) diodos para pequenos sinais (potência < 0,5 W); e ii) retificadores (potência > 0,5 W). o O ln914 é um diodo de pequeno sinal - potência é de 0,25 W. o O ln4003 é um retificador - potência é de 1 W. 30 30

Exercícios e Questões Exercício 1 Determine a corrente I para o circuito da Figura com V S = 5 V e R S = 1 kω. Assuma que a queda de tensão no diodo é de 0,7 V. 31 31

Exercícios e Questões Exercício 2 Determine a corrente I D para o circuito da Figura, tendo-se os valores V DD = 5 V, R = 1 kω, r D = 20 Ω e V D0 = 0,65 V. 32 32

Exercícios e Questões 3) Uma fonte de tensão de 8 V leva o diodo a ter um resistor limitador de corrente de 100 Ω. Nesta situação, a tensão no diodo é de 0,75 V. Qual é a corrente de operação do diodo? 4) Esboce o gráfico I V do exercício anterior. 5) Levando em consideração a curva característica de um diodo, explique de forma concisa a sua operação. 6) A tensão V S é de 9 V e a resistência R S é de 1 k Ω (figura abaixo). Calcule a corrente através do diodo. 33 33

Bibliografia Básica: Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. Robert Boylestad, Louis Nashelsky. Pearson, 2004. A. S. SEDRA, K. C. SMITH, "Microeletrônica", Prentice-Hall, 5a Ed., 2007. A. P. MALVINO, D. J. BATES, "Eletrônica", vol. 1 e 2, McGraw-Hill, 7a Ed., 2007. Complementar: P. HOROWITZ, W. HILL, The art of electronics, Cambridge, 2a Ed., 1989. M. N. HORENSTEIN, "Microeletrônica: circuitos e dispositivos", Prentice-Hall, 1996. 34 34