Analogica I Diodos

Universidade Federal de Itajubá

Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação

Engenharia da Computação

ELT303 – Eletrônica Analógica I

Diodos Semicondutores

Universidade Federal de Itajubá

Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação

Engenharia da Computação

Atenção

O material constante destas notas de aula foi preparado com base na bibliografia recomendada e destina-se a servir como um apoio ao

acompanhamento da disciplina.

Em alguns slides são utilizados recursos coletados da INTERNET e considerados de domínio público.

Dispositivos de Estado Sólido: Diodo Semicondutor

Os dispositivos semicondutores substituíram as válvulas termiônicas (Adendo 1) em praticamente todas as aplicações eletro-eletrônicas. Chamados de dispositivos de

estado sólido, representaram e, ainda hoje representam, uma grande revolução tecnológica permitindo o surgimento do que se denomina de alta tecnologia.

Lee De Forest (1873 – 1961)

Lee De Forest patenteou a válvula triodo em 1907 permitindo, na época, um grande

avanço no campo das telecomunicações. Para iniciar o estudo dos dispositivos de estado sólido, será considerado o Diodo

Semicondutor.

4

Diodo Semicondutor: Aspectos Construtivos

O Diodo Semicondutor nada mais é do que uma junção PN acrescida de dois cristais fortemente dopados (N+ _{e P}+_{) e de dois terminais de um material metálico}

(geralmente alumínio).

Os cristais N+ _{e P}+ _{são necessários para formar o que se denomina de Contato}

Ôhmico. Este tipo de contato segue a lei de Ohm, ou seja, pode ser representado por uma resistência de baixo valor. Ao se colocar um metal em contato com um cristal

com dopagem típica, forma-se outro tipo de contato (contato Schottky) que será abordado posteriormente.

Para estudar este dispositivo será feito um levantamento de suas características elétricas. Observar que, em uma primeira aproximação, a inserção dos itens

Diodo Semicondutor: Polarização Direta e Reversa

Para caracterizar o diodo semicondutor é preciso tirá-lo da sua condição de

equilíbrio. O equilíbrio térmico será mantido, ou seja, os resultados apresentados são obtidos para uma temperatura ambiente constante (normalmente 300K).

O desequilíbrio será proporcionado pela presença de uma fonte de tensão externa e, ao aplicá-la, está se polarizando o diodo. Existem, então, duas possibilidades de

polarização:

Direta, quando o cristal P recebe o terminal positivo da fonte e Reversa quando o cristal P recebe o terminal negativo da fonte.

Tomando por base as polarizações Direta e Reversa é possível construir uma conjunto de curvas características. Estas representam, graficamente, o

comportamento elétrico do dispositivo.

Na prática, ao se acoplar uma fonte ao diodo deve-se sempre utilizar um resistor série para limitar a corrente. O dispositivo pode ser destruído se dissipar uma

potência acima do valor máximo para ele permitido.

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Diodo Semicondutor: Polarização Direta

Na polarização direta, a fonte V_D faz surgir na região de depleção um campo elétrico que tem sentido oposto ao campo elétrico resultante dos dipolos. O campo elétrico

resultante é reduzido (e também a largura: W_D<W_O) favorecendo a difusão de portadores majoritários. Se o campo elétrico externo for grande o suficiente para

anular o campo elétrico interno haverá um fluxo de corrente (I_D) de portadores majoritários através do diodo, limitado apenas pelas resistências intrínsecas dos cristais N e P e dos contatos ôhmicos. Estas resistências são de pequenos valores o que leva a uma aproximação de uma chave fechada para o diodo quando polarizado

Diodo Semicondutor: Polarização Direta

 O terminal para onde fluem as cargas negativas (elétrons) é chamado de Anodo e para onde fluem as cargas positivas (lacunas) é chamado de Catodo.

 O valor de V_D, para um diodo de S_i, que “vence” completamente a barreira é de aproximadamente 0,7V. Para um diodo de G_e de 0,3V;

 As resistências dos cristais N e P são chamadas de Resistências de Corpo;  Os tipos de diodos semicondutores mais comuns são: os Diodos de Sinal que

operam em baixa potência (tipicamente na faixa de mW) e com freqüências mais elevadas, os Diodos Retificadores manipulam maiores potências (tipicamente acima de 1W) e trabalham em freqüências industriais (60H_z) e os Diodos

Emissores de Luz (LEDs) e Zener que serão abordados posteriormente;

 Não é necessário contabilizar os portadores minoritários na polarização direta;  O símbolo do diodo representa uma seta que indica o sentido convencional do

fluxo de corrente (I_D) quando polarizado diretamente:

+

-V_D

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Diodo Semicondutor: Polarização Reversa

Na polarização reversa, a fonte V_D será invertida. Agora, o campo elétrico externo está no mesmo sentido do campo elétrico dos dipolos fazendo com que os

portadores majoritários sejam afastados da região da junção.

Conseqüentemente, a região de depleção será alargada (W_R > W_O). Em uma primeira aproximação, verifica-se que não existe a possibilidade de fluxo de corrente através do diodo uma vez que existe um “isolante” (região de depleção) entre os terminais do anodo e do catodo. Para esta situação o dispositivo pode ser

Diodo Semicondutor: Polarização Reversa

Em uma segunda aproximação, é necessário contabilizar a presença dos portadores minoritários dos cristais N e P. Para eles, o campo elétrico resultante

na região de depleção age no sentido de acelerá-los, de forma que elétrons caminhem em direção ao catodo e lacunas caminhem em direção ao anodo. Este fluxo de portadores estabelece uma corrente, dita reversa (I_R) , porém, de

pequena amplitude uma vez que é constituída de portadores minoritários. Esta corrente também é referenciada como sendo uma Corrente de Saturação

Reversa (I_S) porque o seu valor se satura para uma determinada temperatura. Lembrar que os portadores minoritários estão presentes nos cristais pela geração térmica de pares elétron-lacuna. Observar que a intensidade desta corrente reversa

não depende (primeira aproximação) da intensidade da tensão reversa aplicada. A dependência de I_S com a temperatura é expressa, aproximadamente, por: I_S dobra

a cada aumento de 100_{C na temperatura.}

Para diodos de sinal I_S situa-se na faixa de nA e para diodos retificadores pode chegar até a faixa de mA.

Informação Interessante: Sensores de temperatura são baseados em uma junção PN polarizada diretamente e sensores de radiação luminosa (e fotodiodos) em uma

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Diodo Semicondutor: Limites

Na polarização direta o diodo apresenta um limite de operação que é a potência dissipada pela circulação da corrente I_D. Normalmente, o fabricante apresenta um

valor máximo para esta corrente direta. Na polarização reversa é necessário investigar um limite de operação chamado de Ruptura.

Diodo Semicondutor: Ruptura

Na polarização reversa, a princípio, não existe a preocupação de uma dissipação elevada de potência em função do baixo valor de I_S. Entretanto, é preciso verificar os fenômenos que acontecem quando a tensão reversa começa a ficar muito elevada.

Existem dois mecanismos que vão “forçar” a presença de um alto valor de corrente reversa podendo levar o dispositivo a uma situação de alta dissipação de potência.

Estes mecanismos são o a Multiplicação por Avalanche e o Efeito Zener. A princípio, uma vez alcançados, atinge-se uma situação de ruptura do dispositivo e a

sua conseqüente perda.

Por estarem diretamente relacionados com o valor da tensão reversa aplicada, o fabricante estabelece um valor limite para esta tensão. É apresentada como PIV (Peak Inverse Voltage), BV (Breakdown Voltage) ou VRRM (Repetitive Peak

Diodo Semicondutor: Ruptura por Avalanche

Embora coexistam (podendo haver o predomínio de um deles), os mecanismos de ruptura podem ser analisados separadamente. Dependem da temperatura e do

nível de dopagem dos cristais N e P.

A multiplicação por avalanche ocorre da seguinte forma: a geração de pares elétron-lacuna é constante e estes portadores são aceleradores pelo campo elétrico formando

a corrente reversa. Se a tensão reversa aumenta, aumenta também a intensidade do campo elétrico. Esta maior intensidade de campo, permite aos portadores

minoritários em fluxo adquirir uma maior energia cinética. Caso um destes portadores se choque com a estrutura cristalina ele pode liberar energia suficiente para romper uma ligação covalente e gerar um par elétron-lacuna adicional. Estes portadores adicionais também são acelerados pelo campo e podem gerar outros portadores adicionais. O processo é regenerativo criando cada vez mais portadores

e levando o diodo a uma situação de condução de corrente reversa de alto valor e sua destruição por dissipação de potencia excessiva.

Por ser um processo regenerativo semelhante ao que ocorre em encostas de montanhas, recebeu o nome de Multiplicação por Avalanche ou simplesmente

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Diodo Semicondutor: Ruptura Zener

O efeito Zener foi descoberto por Clarence M. Zener e estabelece que o próprio campo elétrico, na região de

depleção, é capaz de gerar pares elétron-lacuna. Isto devido a alta intensidade que estes campos assumem.

A largura da região de depleção é na faixa de mm e a presença de uma tensão reversa externa na faixa de V pode gerar campos da ordem de milhões de Volt por

metro. Clarence Melvin Zener (1905 – 1993)

O valor da tensão reversa de ruptura pode ser tão pequena quanto algumas

unidades de Volt e tão grande quanto algumas centenas de Volt. O seu coeficiente térmico depende de qual efeito é predominante (Avalanche ou Zener).

Um valor de referência é algo em torno de 5 a 6V (algumas literaturas colocam 5,6V). Para tensões acima destes valores o coeficiente térmico da tensão de ruptura é positivo

e para valores inferiores é negativo.

Para tensões inferiores a 5,6V predomina a Avalanche e para tensões superiores predomina o efeito Zener.

Existe um diodo especializado para operar na região de ruptura que recebe o nome de Diodo Zener.

Diodo Semicondutor: Encapsulamentos

Alguns fabricantes identificam o diodo através do seu símbolo, outros, colocam uma tarja no terminal referente ao anodo.

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Diodo Semicondutor: Curva Característica

Uma imagem vale mais do mil palavras! A curva característica do diodo semicondutor representa a função I_D = f(V_D) @ T e, através dela, pode-se

reconhecer todos os aspectos de operação descritos até o momento.

V_T I_S

B_V

I_D

V_D I_Dmax Polarização Direta

Diodo "ON" Polarização Reversa Diodo "OFF" I_S V_R + -I_D V_D +

-O primeiro quadrante representa a condição de polarização direta. Observar que vencida a barreira (V_T) o

diodo conduz corrente até um limite máximo de dissipação imposto por I_Dmax. No terceiro quadrante, tem-se a condição de polarização reversa com o diodo conduzindo apenas uma pequena

corrente reversa (I_S). Uma vez atingida a ruptura (BV) ele passa a conduzir

uma corrente reversa forçada. Como um todo, o comportamento

elétrico do diodo semicondutor é altamente não linear.

V_T também é chamada de “Tensão de Joelho”.

I_S também é chamada de

Diodo Semicondutor: Equação de Shockley

Verifica-se que quando o diodo está conduzindo corrente na polarização direta, o comportamento entre

tensão (V_D) e corrente (I_D) é não linear. Mais precisamente um comportamento exponencial. Shockley usando conceitos da física do estado sólido

deduziu uma equação para modelar este

comportamento: _{William Bradford Shockley (1910-1989)}

300K @ 25,87[mV] q KT U [C] 1,6.10 q [J/K] 1,38.10 K 2 η 1 φ U v 1 e I I T 19 23 t T t ηv V S D t D                    

Esta equação é válida (com um bom grau de precisão), na realidade, para o diodo operando abaixo da ruptura até valores de corrente direta que

não representem fenômenos de alta injeção. Cuidado: Não confundir a tensão de joelho (V_T)

com a tensão equivalente de temperatura v_t. Por esta razão que algumas literaturas usam U_T ou f_t.

Em termos práticos, considerar que h=1 para diodos difundidos em circuitos integrados e h=2

16 0.2V 0.4V 0.6V 0.8V 1.0V 100pA 10nA 1.0uA 100uA 10mA 1.0A ID VD

Equação de Shockley: Plotando I

_D

com Eixo LOG

Plotando-se a equação de Shockley com o eixo das correntes comprimido por uma

escala LOG, obtém-se, a princípio, uma reta. Nos diodos reais, existem efeitos de

segunda ordem que fazem este comportamento linear desviar-se tanto

para correntes muito pequenas quanto para correntes muito elevadas.

Na região de correntes “médias”, tem-se:

 

 

 

 

b ax y I ln ηU V I ln e ln I ln e I ln I ln e I I S T D D ηU V S ηv V S D ηU V S D T D t D T D                                 T ηU 1

 

I_S ln Alta injeção

Diodo Semicondutor: Níveis de Resistência

Embora altamente não linear, a curva característica do diodo por ser linearizada por partes. Isto significa que é possível aproximar certos trechos da curva por segmentos de reta e, desta forma, tornar válida a lei de Ohm (V=R.I). Assim, é possível estabelecer alguns níveis de resistência para o diodo semicondutor. Estes

níveis são definidos para o diodo polarizado diretamente. São eles: Resistência Estática ou Resistência DC representada por R_D;

Resistência Dinâmica Incremental ou Resistência AC Incremental (ou ainda resistência incremental) representada por r_d;

Resistência Dinâmica Média ou Resistência AC média representada por r_AV.

Para o diodo na condição de polarização reversa, antes da ruptura, será considerado um nível de resistência muito elevado (idealmente uma chave aberta) em função

da pequena corrente reversa de saturação.

Na prática, é importante notar que a relação entre a corrente direta (acima do joelho) e a corrente reversa obedece uma relação de pelo menos 1000:1, ou seja, a

I_D V_D I_DQ V_DQ Q Ponto de Operação 18

Diodo Semicondutor: Resistência Estática (R

_D

)

Por definição a resistência estática é a relação entre os valores DC de tensão e corrente presentes no diodo. Portanto, trata-se de uma resistência avaliada em um ponto específico da curva característica e pode assumir valores diferentes dependendo do local em que é avaliada. Será maior para regiões próximas ou

abaixo do joelho da curva característica. Esta resistência não depende do formato da curva. DQ DQ D I V R 

O ponto que caracteriza esta condição estática de tensão e corrente é denominado:

Ponto de Operação ou Ponto Quiescente (Q-Point).

Veremos, no decorrer do nosso curso, que o conceito de ponto quiescente é um dos mais importantes. Principalmente, quando estivermos

analisando circuitos transistorizados. DQ DQ D I V R 

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 (605.1mV,1.01mA) (793.9mV,30.0mA) (685.5mV,5.08mA) ID [mA] VD [V] Q1 Q2 Q3

Resistência Estática: Exemplo

 

Ω 26,5 30mA 793,9mV R_D(Q1)  

 

Ω 135 5,08mA 685,5mV R_D(Q2)  

 

Ω 600 1,01mA 605,1mV R_D(Q3)  

Na medida em que se aproxima o ponto Q do joelho da curva (algo em torno de 600 a

700mV) observa-se um aumento na resistência estática. Para valores menores desta tensão teríamos uma resistência muito elevada caracterizando um modelo de chave

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Diodo Semicondutor: Resistência Incremental (r

_d

)

I_D Q

Reta Tangente

V_D

A resistência AC Incremental prevê a movimentação do ponto Q pela presença

de um sinal variante no tempo superposto aos níveis DC. Desde que estas variações sejam pequenas (operação a pequeno sinal

ou sinais incrementais), a curva se confunde com a reta tangente no ponto (derivada). Esta resistência depende do

formato da curva.





DQ T d T D d S D S D T ηU V S T D ηU V S d Q D D D D d I ηU r ηU I r 1 I I se I I ηU 1 e I U 1 dI 1 e I d r 1 dI dV ΔI ΔV r T D T D                            A consideração de operação em

pequenos sinais pode ser satisfeita se as variações no entorno do

ponto Q representarem

aproximadamente 10% do valor quiescente da corrente.

Ao lado a dedução desta resistência a partir da equação de Shockley.

Diodo Semicondutor: Resistência Incremental (r

_d

)

Esta resistência foi deduzida a partir da equação de Shockley que modela apenas o comportamento no entorno da junção PN. As resistências de corpo dos materiais semicondutores das regiões do Anodo e do Catodo e as resistências dos

contatos ôhmicos (idealmente deveriam ser zero) não fazem parte desta formulação. Pode-se utilizar, então, as fórmulas alternativas:

B d

d r r

r'  

Na equação acima, r_B representa as contribuições adicionais citadas e pode variar de 0,1 a 2 ohm dependendo do tipo de dispositivo. Diodos de sinal, maior

r_B e diodos de potência, menor r_B.

P N

contato

B 2r r r

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Resistência Incremental: Exemplo

Usando o mesmo diodo do exemplo anterior, calcular (graficamente e pela equação de Shockley) as resistências incrementais para os valores de I_DQ de 5mA e de

25mA. Então, os “I_D” (10%) serão, respectivamente, ±0,25mA e ±1,25mA.

640 650 660 670 680 690 700 2 3 4 5 6 7 (687.38m,5.253m) (682.12m,4.751m) ID[mA] VD [mV] IDQ =5mA

 

Ω 10,5 0,502mA 5,26mV 4,751mA 5,253mA 682,12mV 687,38mV ΔI ΔV r D D d _     

 

Ω 10 5mA 25mV 2 I ηU r x DQ T d   

Resistência Incremental: Exemplo

 

Ω 2,85 2,5mA 7,12mV 23,73mA 26,23mA 776,92mV 784,04mV ΔI ΔV r D D d _     

 

Ω 2 25mA 25mV 2 I ηU r x DQ T d    640 680 720 760 800 840 20 25 30 35 (776.92m,23.73m) (784.04m,26.23m) IDQ =25mA ID[mA] VD [mV]

Observar que acima do joelho a reta tangente apresenta uma

maior inclinação que se traduziu em uma menor resistência incremental. Os valores calculados pela fórmula e pelas variações de

tensão e corrente indicam a validade da formulação de Shockley e a presença de

componentes adicionais representadas pelas resistências

de corpo dos cristais e dos contatos ôhmicos.

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Resistência Incremental: Exemplo

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 20 40 60 80 100 (25.00m,2.838) (5.000m,10.48) rD [W] ID [mA]

Plotando r_d (calculada pela equação de Shockley) em função da corrente I_D verifica-se que à medida que verifica-se caminha para o joelho da curva (I_D diminuindo) a resistência

incremental aumenta uma vez que a reta tangente se aproxima de uma reta horizontal. Acima do joelho, a reta tangente se confunde com a própria curva e, estando mais inclinada (tendendo para uma reta vertical), representa uma resistência

incremental de baixo valor.

Está análise vem ao encontro da consideração de que o diodo é uma chave aberta (alta resistência) antes de vencer a barreira e uma chave fechada (baixa resistência)

Diodo Semicondutor: Resistência AC Média (r

_AV

)

I_D

V_D

I_D

V_D

Se o sinal variante no tempo provocar deslocamentos muito grandes no entorno do ponto de operação, é necessário definir uma resistência AC média. Este valor de resistência é calculado tomando-se uma linha reta que

une os dois pontos extremos das variações do sinal e fazendo-se a relação entre a tensão e a corrente.Um

exemplo de aplicação, que utiliza o conceito desta resistência, são os circuitos retificadores.

ponto a ponto D D AV ΔI ΔV r  5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 (793.9mV,30.0mA) ID [mA] 1

 

Ω 6,5 28,99mA 188,8mV r 1,01mA 30,0mA 605,1mV 793,9mV ΔI ΔV r AV D D AV      

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Diodo Semicondutor: Circuitos Equivalentes (Modelos)

A análise gráfica através da reta de carga pode ser comprometida se o projetista não tiver em mãos a curva característica do dispositivo. Uma forma alternativa

emprega o uso de circuitos equivalentes. Circuitos equivalentes são uma combinação de elementos de circuito (resistores, capacitores, fontes de tensão, etc.) propriamente escolhidos, para representar, com um certo grau de precisão,

as características globais (ou em um determinado ponto de operação), um dispositivo ou um sistema.

Um sinônimo para circuito equivalente é Modelo e o seu uso implica em aproximar o comportamento do dispositivo ou sistema para uma operação linear.

O uso de modelos tende a simplificar a análise de um circuito que contenha componentes altamente não lineares.

Para o diodo semicondutor serão apresentados inicialmente os 3 modelos clássicos que são: O Modelo Ideal, o Modelo Simplificado e o Modelo Linear por Partes. Isto não quer dizer que não existam outros modelos. Dependendo da

aplicação (por exemplo, uma análise no domínio da freqüência) é necessário incluir outros componentes no modelamento para incorporar os fenômenos

Circuitos Equivalentes: Modelo Ideal

Idealmente, o diodo é modelado como uma chave fechada (polarização direta) e como

uma chave aberta (polarização reversa). Também chamado de primeira aproximação. V_D = 0 I_D + -I_R = 0 I_D V_D V_R +

-Circuitos Equivalentes: Modelo Simplificado

O diodo se torna uma chave fechada depois de vencido o joelho da curva (consegue manipular valores expressivos de corrente). Também chamado de segunda aproximação. O valor de V_T é considerado como sendo 0,7V

para diodos de sinal e 1V para retificadores. V_D = V_T I_D + -I_D V_D V_R + -V_T V_T +

-28

Circuitos Equivalentes: Modelo Linear por Partes

Incorpora o valor da resistência dinâmica média (r_AV) estando vencida a barreira de potencial. Chamado de terceira aproximação. Atenção: o

valor de V_T a ser usado corresponde ao cruzamento da reta com o eixo x. Pode não ser

exatamente 0,7V.

Neste ponto, pode surgir a dúvida sobre qual dos modelos utilizar. Normalmente, o modelo simplificado atende a maioria das análises de

circuitos com diodos. Contudo, sempre que possível, deve-se avaliar os valores das tensões aplicadas e das outras resistências presentes no circuito

que contém o diodo. Se estes valores forem muito superiores aos valores de V_T e de r_AV (pelo menos dez vezes maior) o modelo ideal levará a resultados

com um grau de imprecisão de no entorno de 10%. Quando as tensões aplicadas e outras resistências forem da mesma ordem de grandeza de V_T e

r_AV torna-se obrigatório o uso do modelo linear por partes V_D = V_T + I_D.r_AV I_D + -I_R = 0 I_D V_D V_R + -V_T V_T + - r_AV

Diodo Semicondutor: Efeitos Capacitivos

Estando o diodo submetido a um regime de operação em que existe um sinal dinâmico, ou seja, com uma dada freqüência, é necessário

incluir os fenômenos de armazenamento de cargas. Este

armazenamento se traduz na presença de um efeito capacitivo tanto na polarização direta quanto na reversa. São dois efeitos que, embora

coexistindo, podem ser separados para facilidade de análise. Na polarização direta predomina um efeito capacitivo chamado de Capacitância de Difusão (C_D) e na polarização reversa predomina

a Capacitância de Transição ou de Junção (C_J). Ambas são modeladas como capacitores em paralelo com a junção PN. CD CJ D J TOTAL C C C  

Observar que, em altas freqüências, o comportamento elétrico do diodo pode ser modificado pela presença de uma reatância capacitiva muito baixa. Portanto, o

30

Efeitos Capacitivos: Capacitância de Junção

A capacitância de Junção, que predomina na polarização reversa, pode ser modelada como

uma capacitor de placas paralelas. O valor desta capacitância é influenciado pela tensão

reversa aplicada (V_R) , pois a espessura do dielétrico (região de depleção) aumenta ou

diminui em função da maior ou menor intensidade desta tensão.

No seu equacionamento, C_JO é um valor desta capacitância avaliado para polarização zero

(valor fornecido pelo fabricante). Em uma primeira aproximação, V_bi (tensão embutida) pode ser substituída, por exemplo em um diodo

de sinal, pelo valor de 0,7V. Isolante

Junção PN polarizada reversamente

+ + + + -Cristal N Cristal P _ VR + m bi R J0 J V V 1 C C         

O coeficiente m está relacionado com os perfis de dopagem dos cristais N e P e vale entre 1/3 e 1/2. Existe um diodo de finalidade específica, denominado de Varicap,

que é otimizado para operar como um capacitor variável e é muito utilizado em circuitos de sintonia em telecomunicações.

Efeitos Capacitivos: Capacitância de Difusão

Na polarização direta, a difusão dos portadores ocorre com uma velocidade limitada o que significa dizer que durante um determinado período de tempo eles

estão “armazenados” em um determinado nível de energia.

Este armazenamento é modelo através de um efeito capacitivo e por estar relacionado com a difusão de portadores através da junção recebeu o nome de

Capacitância de Difusão.

Esta capacitância está diretamente associada a corrente direta do diodo uma vez que quanto maior o seu valor, maior a quantidade de cargas armazenadas. Pode ser

expressa pela fórmula a seguir:        T t D D V t I C

O valor t_t representa o tempo de trânsito dos portadores.

Tanto C_J quanto C_D apresentam uma ordem de grandeza que pode variar, tipicamente, de algumas unidades de pF a algumas dezenas de pF.

32

Efeitos Capacitivos: Tempos de Recuperação

A presença de efeitos capacitivos no diodo indica que ele não pode responder

instantaneamente a mudanças bruscas nas tensões de polarização (por exemplo,

um sinal de onda quadrada). O diodo levará um tempo finito para se recuperar dos efeitos transitórios e assumir o regime permanente de operação.

Existem, portanto, dois tempos de recuperação: o tempo de recuperação direto (t_rd) e o tempo de recuperação reverso (t_rr). Na prática, o t_rr sempre será o de maior valor (dominante) impondo, assim, um limite de freqüência para o funcionamento

adequado do diodo. O circuito ilustrado a seguir permite avaliar estes tempos:

Neste caso, o sinal V_in(t) é uma onda quadrada e, para avaliar os tempos, será monitorado o comportamento da corrente

I_D(t). Observar que o diodo é de sinal e responde a freqüências mais elevadas comparativamente a um diodo retificador.

R_L 1[KW ] D₁

D1N4148

V_in(t) I_D(t)

Efeitos Capacitivos: Tempos de Recuperação

-15m -10m -5m 5m 10m 15m 10ns 20ns 30ns 20m I_D [A] t t_rr 20ns -10 -5 0 5 10 10ns 30ns Vin(t) [V] t 10ns 20ns 30ns -6 -4 -2 0 2 t V_D [V] Em t=10nS tem-se um comando para “desligar” o

diodo e em t=30ns uma comando para “ligá-lo”.

Para que não haja

descontinuidade na tensão V_D, a corrente I_D responde com “impulsos” nestes respectivos

tempos.

O t_rr medido é de

aproximadamente 12nS o que limitaria a sua freqüência de

operação em 1/12.10-9 ≈

80MH_Z.

Diodos retificadores apresentam t_rr na faixa de unidades a dezenas de mS.

34

Diodos Semicondutores: Folhas de Dados

As Folhas de Dados (de modo geral para todos dispositivos semicondutores) apresentam para o projetista, basicamente, dois tipos de informação:

 Absolute Maximum Ratings (Limiting Values) (Valores Máximos Absolutos ou Valores Limites): Valores que, se excedidos, provocam a destruição do dispositivo ou a degeneração de seu comportamento elétrico, diminuindo, assim, a sua confiabilidade e a sua vida útil.

 Electrical Characteristics (Características Elétricas): Tabelas com Valores Típicos e suas dispersões, Curvas, Circuitos Típicos, etc. que auxiliam o desenvolvimento de um projeto.

Um dos itens mais importantes na atividade do profissional da eletrônica é saber se comunicar. Isso é válido tanto quando se trata de redigir ou entender um documento técnico em português como em inglês. A Allegro Microsystems possui um excelente artigo em que explica exatamente como devem ser escritos os “datasheets” e quais são os principais erros que se

constatam, comprometendo muitas vezes o uso de um produto e com isso o nome do fabricante. Um dos pontos mais importantes, ao se redigir uma folha de dados ou “datasheet” para um componente, é levar em conta que esse documento

pode significar um elo entre pessoas e empresas que têm necessidades opostas. Para quem lê uma folha de dados, ela reflete a empresa que o redige. Normalmente erros menores não são muito comentados, no entanto erros de redação ou mesmo de concordância e principalmente erros técnicos refletem diretamente a credibilidade e o próprio desempenho do

componente, e conseqüentemente da empresa. Outro ponto de extrema importância a ser analisado é que uma folha de dados de um componente também é considerada pelo cliente como um documento legal de garantia da performance de um

produto. Tudo isso significa que escrever uma folha de dados é uma arte, e saber interpretar seu conteúdo também.

Folhas de Dados: Exemplo (diodo de sinal 1N4148)

Informações Gerais, Aplicações, Descrição do Dispositivo, etc.

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Folhas de Dados: Exemplo (diodo de sinal 1N4148)

Valores Máximos Absolutos (Valores Limites)

International Standards and other publications

IEC TCs/SCs (Technical Committees and Subcommittees) develop International Standards and other types of publications

Folhas de Dados: Exemplo (diodo de sinal 1N4148)

Características Elétricas e Circuitos de Teste

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Folhas de Dados: Exemplo (diodo de sinal 1N4148)

Curvas Características (Dados Gráficos)

Diodo Semicondutor: Avaliação com o Multímetro

Os multímetros digitais apresentam, dentro de sua seção ohmímetro, uma função especial

(normalmente identificada pelo símbolo de um diodo) que permite avaliar a condição de junções PN.

Nesta função, o multímetro injeta uma corrente constante no diodo sob teste e processa o resultado de forma a apresentar o valor da barreira de potencial

equivalente quando polarizado diretamente. Esta corrente situa-se, tipicamente, na faixa de umas

poucas unidades de [mA].

Quando polarizado reversamente, a indicação é tal que representa a impossibilidade de circular corrente

pelo diodo (lembrar que nesta situação ele é, idealmente, uma chave aberta).

Com base nestas indicações é possível identificar claramente as condições: diodo em bom estado,

Multímetro Digital destacando a função de avaliação de junções PN

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Adendo 1: Válvulas Termiônicas

retornar

Ultrapassadas, obsoletas, volumosas, consumidoras de energia. Tudo isso pode qualificar as válvulas termiônicas (também chamadas válvulas eletrônicas), mas elas ainda resistem em aplicações específicas.

No uso doméstico, estão presentes em fornos de micro-ondas (magnétron) e em televisores e monitores de vídeo (tubo de imagem). Mas este último está sendo substituído pelas telas de cristal líquido (e de

outros tipos) e a velocidade dessa troca é apenas uma questão de preços. Também são usadas em equipamentos industriais, radares, transmissores de potência. Alguns entusiastas de áudio preferem amplificadores com válvulas, pois dizem que o som é mais puro. De qualquer forma, para quem só viveu a era dos semicondutores, pode ser interessante conhecer um pouco deste componente que foi a

base para o desenvolvimento da tecnologia eletrônica.

O efeito termiônico (emissão de elétrons por um metal aquecido) foi descoberto por Edson em 1883. Na Figura (1) ao lado, um filamento metálico F e um anodo também metálico A estão em uma ampola sob vácuo (a presença de ar impede a emissão de elétrons).A fonte de tensão

B1 aquece o filamento e a fonte B polariza o anodo positivamente. Nessa

condição, os elétrons emitidos pelo filamento são atraídos pelo potencial positivo do anodo, fazendo circular uma corrente I pelo circuito. Se a polaridade da fonte B for invertida conforme Figura (2), o anodo terá um

potencial negativo, repelindo os elétrons emitidos pelo filamento e não haverá corrente no circuito. Esse arranjo é, na prática, um diodo

retificador, isto é, um componente que só permite a passagem da corrente

elétrica em uma direção. O anodo da válvula é usualmente chamado de (1)

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Adendo 1: Válvulas Termiônicas

retornar

A variação da corrente de placa com a tensão se dá de forma parecida com o gráfico ao lado. Ela varia linearmente com a tensão até certo valor e depois a curva se achata com tendência a um limite, isto é, uma tensão de

saturação (acima desta última, não há aumento da corrente de placa). A