Eletrônica Básica e Instrumentação
ELT008
Prof. Vinícius Valamiel
vvalamiel@gmail.com
https://sites.google.com/site/vvalamiel
Transparências: Prof. Tálita S. P. Sono
Prof. Tiago de Sá Ferreira
DIODO DE JUNÇÃO
Aula 3
2 ELT008 - Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 3 - Diodo de Junção
Diodo Semicondutor
Foram mostrados os materiais dos tipos N e P
Diodo
Formado pela simples união desses materiais
(construídos a partir da mesma base – Si ou Ge)
Representação esquemática de um diodo
semicondutor
Nomenclatura
Lado P → Anodo
Lado N → Catodo
O símbolo do diodo se parece
com uma seta
Aponta do lado P para o lado N (do
anodo para o catodo)
A seta lembra que a corrente
convencional circula facilmente
do lado P para o lado N
ELT008 - Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 3 - Diodo de Junção 4
Anodo
Efeitos na Junção PN
Contato direto entre um cristal N e um cristal P.
Formação da Região de Depleção
Quando os materiais são ‘unidos’, os elétrons e as lacunas da
região de junção se combinam, resultando na ausência de
portadores livres na região próxima à junção
Região de Depleção
Ao cruzarem a junção, os portadores majoritários deixam atrás íons
Positivos no cristal N; e
Negativos no cristal P.
Cada par de íons representa um dipolo elétrico;
O campo elétrico associado aos dipolos contraria a difusão dos
portadores majoritários.
ELT008 - Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 3 - Diodo de Junção 6
A região próxima a junção fica
vazia de portadores
majoritários. Essa região vazia
é chamada de
camada de
depleção
Cristal P
Cristal N
Lacunas
Elétrons
E [
V/m
]
+
+
+
+
-W
Região de Depleção
Região de Depleção
A região de depleção atua como uma barreira à difusão de elétrons;
Se um elétron tiver energia suficiente ele pode romper a barreira
potencial e entrar na região P.
A barreira de potencial (V
k
) a
25
o
C
é de aproximadamente 0,7 V para
o diodo de Silício (0,3 para o diodo de Germânio)
O valor de V
kdepende do
tipo de material
semicondutor, dos níveis de
dopagem e da temperatura.
O valor de V
ktem um
coeficiente térmico negativo
-2 [mV/
oC] para o Si
Cristal P
Cristal N
Lacunas
Elétrons
E [
V/m
]
+
+
+
+
-W
Junção PN
Exercício 1
Qual é a barreira de potencial de um diodo de silício
quando a temperatura da junção for de 100
o
C?
ELT008 - Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 3 - Diodo de Junção 8
Se a temperatura na junção aumentar para 100
o
C, a barreira diminui de
(100 – 25)·2mV = 150 mV = 0,15 V
e a barreira de potencial passa a ser
Polarizações da Junção PN
Por ser um dispositivo de dois terminais permite três possibilidades
de polarização:
Sem polarização (VD = 0V)
Polarização reversa (VD < 0V)
Polarização direta (VD > 0V)
ELT008 - Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 3 - Diodo de Junção 10
Sem Polarização (V
D
= 0V)
Na ausência de uma tensão de polarização, o fluxo de carga em
qualquer sentido em um diodo é zero
Por exemplo, para que um portador majoritário do cristal tipo N
(elétrons) possam migrar para se combinar com as lacunas do cristal
P ele deve superar duas forças:
Atração dos íons positivos no material do tipo N
Repulsão dos íons negativos no material tipo P
Sem Polarização (V
D
= 0V)
Resumindo, para V
D
= 0V
Corrente em qualquer direção é zero
POLARIZAÇÃO REVERSA
Polarização Reversa (V
D
< 0V)
Quando:
Terminal positivo está conectado ao material tipo N
Terminal negativo está conectado ao material tipo P
Os portadores majoritários são atraídos nos sentidos dos terminais
(para longe da junção) aumentando assim a camada de depleção e
dificultando ainda mais a passagens de elétrons na junção
A camada de depleção irá
aumentar até que sua diferença de
potencial se iguale à tensão reversa
aplicada
Polarização Reversa (V
D
< 0V)
Existe um número de portadores minoritários que penetram na
região de depleção
Eles geram uma pequena corrente
Esta corrente existente sob condições de polarização reversa é
chamada de corrente de saturação reversa e é representada por
I
S
[μA]
Saturação porque ela alcança seu valor
máximo rapidamente
Resumo da polarização reversa
E
EXT
acelera portadores majoritários em
direção oposta à região de depleção;
Ionização e consequente alargamento
da região de depleção;
Favorecimento de circulação de uma
corrente reversa (corrente de deriva,
de pequeno valor) constituída de
portadores minoritários;
OBS: Corrente de Saturação Reversa (I
S
)
depende da temperatura.
Dobra a cada aumento de 10
oC;
Polarização Reversa
Chave aberta
Cristal P N+ P+ Cristal N WR WR > WO VR + -EEXT Anodo Catodo IR = IS IR = ISPOLARIZAÇÃO DIRETA
Polarização Direta (V
D
> 0V)
Quando:
Terminal positivo está conectado ao material tipo P
Terminal negativo está conectado ao material tipo N
Potencial direto “força”:
Elétrons do material do tipo N a se recombinarem com as lacunas no material
tipo P;
Lacunas do material do tipo P a se recombinarem com os elétrons no material
tipo N;
Reduz a largura da região de depleção
Lembre-se que o
sentido convencional
da corrente é contrário
ao movimento dos
elétrons!!!
Polarização Direta (V
D
> 0V)
Reduz a largura da região de depleção:
A redução da largura da região de depleção ocorre em uma taxa
diferente daquela observada para o caso da polarização reversa.
Com a aplicação de tensão pela fonte externa em sentido contrário
àquela existente (barreira da região de depleção), a região de
depleção tem sua largura reduzida lenta e gradativamente até ser
eliminada.
Após ocorrer a redução completa da região de depleção, o processo
de ionização/deionização se estabiliza, mas ainda há circulação de
corrente direta (I
D
).
Essa circulação de corrente é fruto do deslocamento de portadores
(elétrons, ou seu análogo físico oposto, lacunas) devido a aplicação
de um campo elétrico externo (fonte de tensão).
Polarização Direta (V
D
> 0V)
O fluxo de portadores minoritários não muda de
intensidade
Condução é controlada pelo número limitado de impurezas no
material
Porém, o fluxo de portadores majoritários aumenta
intensamente através da junção
Polarização Direta (V
D
> 0V)
Conforme V
D
aumenta a região de depleção diminui em
largura e I
D
(corrente direta) aumenta exponencialmente
Onde:
I
D
→ corrente direta
I
S
→corrente de saturação reversa
k → constante: 11600/η
η = 1 para Ge
η = 2 para Si
Ou η = 1 para ambos em correntes
muito altas
T
k
→ T
C
+ 273
o
ELT008 - Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 3 - Diodo de Junção 22
I
.
e
1
I
DV
.
S
D
kT
k
Polarização Direta (V
D
> 0V)
Conforme V
D
aumenta a região de depleção diminui em
largura e I
D
(corrente direta) aumenta exponencialmente
Onde:
I
D
→ corrente direta
I
S
→corrente de saturação reversa
k → constante: 11600/η
η = 1 para Ge
η = 2 para Si
Ou η = 1 para ambos em correntes
muito altas
T
k
→ T
C
+ 273
o
ELT008 - Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 3 - Diodo de Junção 23
I
.
e
1
I
DV
.
S
D
kT
k
Equação de
Shockley
Resumo da polarização direta
E
EXT
acelera portadores majoritários
em direção à região de depleção;
Deionização e consequente
diminuição da região de depleção
até sua extinção;
Favorecimento de circulação de
uma corrente direta (corrente de
difusão) constituída de portadores
majoritários;
OBS: Potencial necessário para
deionizar a região de depleção será
de 0,7V para o silício (0,3V
Ge);
Polarização Direta
Anodo → para onde
caminham os elétrons;
Catodo → para onde
caminham as lacunas
Chave fechada
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Cristal P N+ P+ Cristal N WD WD < WO VD + -EEXT Anodo Catodo ID ID
Equação
Expandindo a equação temos:
1.
V
D
2.
I
D
aumenta exponencialmente, de acordo com o primeiro
termo da equação de modo que I
S
pode ser desconsiderada
3.
I
D
diminui de forma que o segundo termo da equação, I
S
, será
o valor final de I
D
ELT008 - Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 3 - Diodo de Junção 26
I
.
e
1
I
DV
.
S
D
kT
k
S
V
.
S
D
I
.
e
I
I
D
T
kk
Perguntas:
1. Qual o termo variável mais importante na equação?
2. O que acontece quando este termo é positivo e
aumenta?
Graficamente
Lembrando
Sem polarização (V
D= 0)
Polarização Reversa (V
D< 0)
Polarização Direta (V
D> 0)
S
V
.
S
D
I
.
e
I
I
D
T
kk
v
v
v
Graficamente
Lembrando
Sem polarização (V
D= 0)
Polarização Reversa (V
D< 0)
Polarização Direta (V
D> 0)
ELT008 - Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 3 - Diodo de Junção 28
S
V
.
S
D
I
.
e
I
I
D
T
kk
v
v
v
Graficamente
Lembrando
Sem polarização (V
D= 0)
Polarização Reversa (V
D< 0)
Polarização Direta (V
D> 0)
S
V
.
S
D
I
.
e
I
I
D
T
kk
v
v
v
Graficamente
Lembrando
Sem polarização (V
D= 0)
Polarização Reversa (V
D< 0)
Polarização Direta (V
D> 0)
ELT008 - Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 3 - Diodo de Junção 30
S
V
.
S
D
I
.
e
I
I
D
T
kk
v
v
v
Graficamente
Lembrando
Sem polarização (V
D= 0)
Polarização Reversa (V
D< 0)
Polarização Direta (V
D> 0)
S
V
.
S
D
I
.
e
I
I
D
T
kk
v
Graficamente
Lembrando
Sem polarização (V
D= 0)
Polarização Reversa (V
D< 0)
Polarização Direta (V
D> 0)
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S
V
.
S
D
I
.
e
I
I
D
T
kk
v
Graficamente
Lembrando
Sem polarização (V
D= 0)
Polarização Reversa (V
D< 0)
Polarização Direta (V
D> 0)
S
V
.
S
D
I
.
e
I
I
D
T
kk
Até vencer a Barreira de
Potencial (V
k=V
TH) da região
de depleção!
Para o Silício
V
TH
0,7 [V] @
25
oC.
Graficamente
Lembrando
Sem polarização (V
D= 0)
Polarização Reversa (V
D< 0)
Polarização Direta (V
D> 0)
ELT008 - Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 3 - Diodo de Junção 34
S
V
.
S
D
I
.
e
I
I
D
T
kk
Graficamente
Lembrando
Sem polarização (V
D= 0)
Polarização Reversa (V
D< 0)
Polarização Direta (V
D> 0)
S
V
.
S
D
I
.
e
I
I
D
T
kk
Graficamente
Lembrando
Sem polarização (V
D= 0)
Polarização Reversa (V
D< 0)
Polarização Direta (V
D> 0)
ELT008 - Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 3 - Diodo de Junção 36
S
V
.
S
D
I
.
e
I
I
D
T
kk
Graficamente
Lembrando
Sem polarização (V
D= 0)
Polarização Reversa (V
D< 0)
Polarização Direta (V
D> 0)
Observe as escalas
Concluindo
I
D= f(V
D);
S
V
.
S
D
I
.
e
I
I
D
T
kk
REGIÃO ZENER
Região Zener
Uma
tensão reversa muito alta
pode produzir um
efeito de
avalanche ou Zener
Há um ponto em que a aplicação de uma tensão suficientemente
negativa resulta em uma mudança brusca na curva característica
A corrente aumenta a uma taxa muito rápida no sentido oposto ao
da região de tensão positiva
Alta corrente de avalanche →
Ruptura por avalanche
Região Zener
Aumentando-se a dopagem das regiões P e N a tensão de ruptura
diminui em módulo:
Diodo especial → Diodo Zener (*aula futura)
O potencial máximo de polarização reversa que pode ser aplicado
antes que a junção PN entre na região Zener (ruptura) é chamado de
tensão de pico inversa ou tensão de pico reversa
Sigla
PIV – peak inverse voltage
PRV - peak reverse voltage
EFEITOS DA TEMPERATURA
Efeitos da Temperatura
Corrente de saturação reversa dobra a cada 10
o
C
100
o
C → I
S
= 0,1 mA
Com esse nível de corrente, já se pode contestar a condição de
não condução na polarização reversa.
Contudo, no que se refere à condução
Quanto maior a temperatura, mais próximo
do diodo ideal
Mas ainda devemos considerar potencia
máxima
Efeitos da Temperatura
Uma
temperatura muito alta
pode
acelerar
o processo de
ruptura
Ruptura pode ocorrer em duas condições
Tensão reversa muito alta (Zener)
Temperatura muito alta (Corrente de deriva
aumenta)
As condições podem coexistir
DIODO IDEAL vs. DIODO
SIMPLIFICADO
Diodo Ideal
Chave fechada → Polarização Direta
Chave aberta → Polarização Reversa
Circuito Equivalente ou Modelo
Simplificado
Como o potencial da barreira de depleção Vk precisa ser
vencido antes do diodo conduzir quando diretamente
polarizado, tem-se:
EXERCÍCIOS RESOLVIDOS
Exercício 1
Um diodo de silício tem uma corrente de saturação de 10 nA na
temperatura de 25
o
C. Se ele opera numa faixa de temperatura de 0
o
C
a 75
o
C, quais são os valores máximo e mínimo da corrente de
Exercício 1
Um diodo de silício tem uma corrente de saturação de 10 nA na
temperatura de 25
o
C. Se ele opera numa faixa de temperatura de 0
o
C
a 75
o
C, quais são os valores máximo e mínimo da corrente de
saturação?
ELT008 - Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 3 - Diodo de Junção 50
I
S
= 10 nA @ 25
o
C e que cada 10
o
C I
Exercício 1
Um diodo de silício tem uma corrente de saturação de 10 nA na
temperatura de 25
o
C. Se ele opera numa faixa de temperatura de 0
o
C
a 75
o
C, quais são os valores máximo e mínimo da corrente de
saturação?
I
S= 10 nA @ 25
oC e que cada
10
oC I
Sdobra, logo:
I
S= 20 nA @ 35
oC
I
S= 40 nA @ 45
oC
I
S= 80 nA @ 55
oC
I
S= 160 nA @ 65
oC
I
S= 320 nA @ 75
oC = 0,32µA
I
S= 10 nA @ 25
oC e que cada
10
oC I
Sdobra, logo:
I
S= 5 nA @ 15
oC
I
S= 2,5 nA @ 5
oC
I
S= 1,875 nA @ 0
oC
Pode-se efetuar os cálculos considerando
também que a corrente de saturação
aumenta 7% para cada grau aumentado
Exercício 2
Usando a equação de Shockley determine a corrente de
diodo a 20
o
C para um diodo de silício com I
S
= 50nA e uma
polarização direta aplicada de 0,6V.
ELT008 - Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 3 - Diodo de Junção 52