Fundamentos de Electrónica Díodos

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

Característica do díodo 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 Vd cátodo ânodo + - Vd Id Id corrente Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

Rectificador de corrente Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

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

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. p n Semicondutor tipo-n Semicondutor tipo-p Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

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. E Região de depleção V - + + - p n - + - + Diferença de potencial, V < 0 Campo eléctrico (E) x Potencial (V) Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

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

Aumenta com a corrente no díodo Lei da junção Aumenta com a corrente no díodo p n Região de depleção - W Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

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 E Região de depleção V - + + - p n - + - + Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

Junção polarizada inversamente Polarização inversa p n - + - + - + 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

Junção polarizada directamente Polarização directa p n - + + - + - 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

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

Região de disrupção Efeito de Zener Efeito de Avalanche 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

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

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

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 Vo V Para pequenos sinais: Q Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

Modelo simplificado Vd Id 0,7V 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 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

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

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

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

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

Díodos especiais Schottky-barrier díodo Varactors Photodiodes LEDs 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 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003

Modelo SPICE Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 Corrente de Saturação IS 10e-14 A Coeficiente de emissão N 1 Resistência ohmica RS Tensão interna VJ 1 V Capacidade da junção com polarização nula CJ0 0 F Coeficiente de gradiente M 0,5 Tempo de transito TT 0s Tensão de disrupção BV inf Corrente inversa na saturação IBV 1e-10A Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003