Fundamentos de Electrónica

1. Fundamentos de Electrónica Díodos

2. Roteiro • O Díodo ideal • Noções sobre o funcionamento do Diodo semicondutor • Equações aos terminais • Modelo de pequenos sinais Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

3. O Díodo Ideal • Um díodo consiste num dispositivo capaz de permitir a passagem de corrente num sentido e impedir no sentido oposto. Símbolo do díodo Característica do díodo Id cátodo ânodo + - Vd Vd Id corrente Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

4. Modelo simplificado Vd • Devido ao carácter exponencial da característica do Diodo Vd pode ser bem aproximado por 0.7V para um grande gama de valores de Is e correntes. • A resistência rd assume normalmente valores reduzidos Id 0,7V Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

5. Rectificador de corrente Nota: a massa na saída não é igual á massa na entrada Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

6. Fonte linear D1 R1 R2 D3 0.5ohm 100ohm C1 R3 T1 200uF 500ohm 311.13V 50Hz V1 Ajuste final num programa de simulação 220 V rms 26:1 D2 Fonte com tensão DC de 5V e capaz de fornecer 25mV de corrente. Diodo de Zener tem 10 para Iz=20mA que necessita de uma corrente de cerca de 5mA para funcionar correctamente. Escolhendo uma tensão de pico no secundário de 12V de forma a distribuir cerca de 3V para oscilação no condensador, 3V para queda de tensão na resistência, e 1 V de queda de tensão nos diodos temos: C1 = I t / V = (25mA+5mA) / 50 Hz / 3 V = 200uF A resistência R2 deve ser suficientemente pequena para fornecer os 30mA à carga mas deve limitar ao máximo a corrente no zener (a 30mA) quando a carga é de impedância elevada e a tensão no condensador toma valores máximos, para limitar a potencia dissipado por este, ou seja devemos ter R2=3V/ 30mA= 100 . Mas este assunto não é inteiramente desta cadeira. A resistência R2 é responsável por perdas na fonte. Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

7. D1 R1 J1 0.5ohm C1 C2 R3 T1 500ohm 311.13V 50Hz V1 220 V rms D2 Fonte comutada Um exemplo muito simples de uma fonte comutada (conversor AC/DC). Sempre que o a tensão em C2 baixe dos 5V J1 liga e desliga quando subir acima dos 5V. O interruptor liga e desliga com uma frequência elevada de forma a manter uma tensão continua de 5V na saída. Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

8. Aplicações Porta OR Porta AND Circuitos limitadores Multiplicador de tensão Formatador de Seno etc Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

9. p n A Junção p-n • Junção p-n • É uma aproximação do diodo real. • Constituída pela junção de dois materiais semicondutores,tipo-p e tipo-n. Semicondutor tipo-n Semicondutor tipo-p Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

10. A junção p-n em equilíbrio termodinâmico • A junção dos dois semicondutores produz uma corrente de difusão de electrões livres e de lacunas de tal forma que se forma uma barreira de potencial. Região de depleção E V - - + + p n - + - + Diferença de potencial, V < 0 ND NA 0 Campo eléctrico (E) x Potencial (V) Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

11. A junção p-n em equilíbrio termodinâmico 0 Campo eléctrico (E) x Potencial (V) - Carga 0 + x Escala logarítmica p n Região de depleção - W Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

12. Região de depleção • Devido à recombinação entre electrões e livres e lacunas existe uma região em que a concentração destes está bastante abaixo do restante: Região de depleção ou região de transição E Região de depleção V - - + + p n - + - + Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

13. - + p n - + - + - + Junção polarizada inversamente • Polarização inversa - + • Provoca o alargamento da região de depleção e o aumento da barreira de potencial, até bloquear a passagem da corrente. • Funciona como um condensador cuja carga é armazenada na região de depleção. Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

14. - + p n - + - + + - Junção polarizada directamente • Polarização directa + - • Provoca o estreitamento da região de depleção e a diminuição da barreira de potencial. Facilita a passagem da corrente. Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

15. Equações aos terminais Vd~0,7V Tempo de vida médio Comprimento de difusão Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

16. Região de disrupção • Se a tensão inversa aplicada a um díodo for muito forte dá-se um fenómeno de disrupção, segundo o qual o díodo passa a conduzir. Existem dois efeitos que podem dar origem á disrupção: • Efeito de Zener • O campo eléctrico é suficientemente forte para gerar pares electrão buraco na região de depleção. Resulta em díodos com esta região bem definida. • Efeito de Avalanche • A energia cinética dos portadores minoritários sobe a influência do campo eléctrico é suficiente elevada para quebrar as ligações covalentes. Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

17. Sensibilidade à temperatura • Vbe varia cerca de -2mV/Cº para valores semelhantes de Ic. Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

18. Característica do Díodo(com zona de disrupção) Id Tensão de Disrupção (Vz) 0.7V Vd Disrupção Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

19. q V A capacidade da junção(em polarização inversa) • Largura variável da região de depleção: • A carga armazenada não é proporcional à tensão. De facto a tensão aumenta aproximadamente com o quadrado da carga. Para pequenos sinais: Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

20. Modelo de pequenos sinais Desde que: Id id(t) Vd vd(t) Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

21. Modelo de pequenos sinais Fórmula de Taylor Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

22. Análise de pequenos sinais (CA) • Passos • Análise de grande sinais (CC- corrente continua) para calcular o Ponto de Funcionamento em Repouso, PFR (Id) • Cálculo dos parâmetros do modelos de pequenos sinais, rd. • Análise de pequenos sinais • Anular as componentes de CC das fontes, ou seja remover as fontes de corrente e curto circuitar as fontes de tensão. • Substituir os componentes não lineares pelos seus equivalente lineares para pequenos sinais • Fazer uma análise do circuito resultante • Opcional: somar as componentes de pequenos sinais (CA) com as componentes CC. Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

23. Região de depleção Tipo-p Tipo-n Modelo de alta-frequência • Capacidade da junção • Capacidade de difusão Polarização inversa Polarização directa Carga armazenada Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

24. Circuitos limitadores Circuito de clamping Duplicador de tensão Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

25. Díodos especiais • Schottky-barrier díodo • Metal semicondutor tipo n • Para dopagem elevada não se produz díodo (contactos ohmicos) • Vd de 0.3 a 0.5V • Muito utilizado em circuitos de Arseneto de Gálio (As-Ga) • Varactors • Condensadores variáveis, coeficiente m=3, 4 • Photodiodes • Díodo polarizado inversamente • Fotões incidentes na região de depleção geram pares electrão lacunas que transportam corrente (sensores de luminancia) • Polarização directa corresponde às células solares • LEDs • A recombinação de pares electrões lacunas gera fotões • Led+photodiodo = isolador óptico Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

26. Modelo SPICE Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

27. Lei da junção O aumento da energia potencial das lacunas (com o aumento do potencial) implica uma diminuição da energia cinética destas e a diminuição do número de lacunas p n Região de depleção - W Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

28. Cálculo da corrente aos terminais Região de depleção • No fim da região de depleção temos: e 0 Como nesta zona só existe corrente de difusão (o campo eléctrico é nulo), temos que a componente da corrente devida às lacuna é dada por: Como a corrente de electrões ou de lacunas é aproximadamente constante ao longo da junção, juntando a corrente devida aos electrões livres fica: Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

29. Cálculo da corrente aos terminais • Notas: • Em regime estacionário (equilíbrio termodinâmico) temos • Vd=0 e v(0)=0V e portanto pn(0)=pn0 • Aplicar uma tensão aos terminais do díodo provoca uma diminuição de v(x) relativamente ao que se passa para a junção em equilíbrio termodinâmico, resultando v(0)=-Vd o que provoca um aumento de pn(0). • O campo eléctrico no exterior da junção é pequeno mas não será nulo devido à igualdade dos integrais de linha do campo pelo interior e pelo exterior da junção. Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003