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Fundamentos de Electrónica Díodos. Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 2 Roteiro O Diodo ideal Noções sobre o funcionamento do Diodo semicondutor.

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1 Fundamentos de Electrónica Díodos

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

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

4 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Rectificador de corrente

5 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Aplicações Porta ORPorta AND Circuitos limitadores Multiplicador de tensão Formatador de Seno etc

6 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 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. pn Semicondutor tipo-p Semicondutor tipo-n

7 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 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. pn V E Diferença de potencial, V < 0 Campo eléctrico (E) Potencial (V) 0 0 x Região de depleção

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

9 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Lei da junção Região de depleção - W np Aumenta com a corrente no díodo

10 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Região de depleção Devido à recombinação de entre electrões e livres e lacunas existe uma região em que a concentração destes está bastante abaixo do restante: Região de depleção pn V E

11 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Junção polarizada inversamente Polarização inversa pn 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.

12 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Junção polarizada directamente Polarização directa pn Provoca o estreitamento da região de depleção e a diminuição da barreira de potencial. Facilita a passagem da corrente.

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

14 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 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.

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

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

17 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE A capacidade da junção 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. Q V Para pequenos sinais: Vo q

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

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

20 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 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.

21 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Modelo de alta-frequência Capacidade da junção Capacidade de difusão Região de depleção Tipo-pTipo-n Carga armazenada Polarização inversaPolarização directa

22 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Circuitos limitadores Circuito de clampingDuplicador de tensão

23 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Díodos especiais Schottky-barrier díodo Metal semicondutor tipo n Para dopagem elevada com uma transição suave não se produz díodo (contactos ohmicos nos chips) 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 Polarização directa corresponde às células solares LEDs A recombinação de pares electrões lacunas gera fotões Led+photodiodo = isolador óptico

24 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Modelo SPICE Corrente de SaturaçãoIS 10e-14 A Coeficiente de emissãoN1 Resistência ohmicaRS0 Tensão internaVJ1 V Capacidade da junção com polarização nula CJ 0 0 F Coeficiente de gradiente M0,5 Tempo de transitoTT0s Tensão de disrupçãoBVinf Corrente inversa na saturação IBV1e-10A


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