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Aula 03 - Diodo de junção

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Academic year: 2021

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(1)

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

(2)

DIODO DE JUNÇÃO

Aula 3

2 ELT008 - Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 3 - Diodo de Junção

(3)

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)

(4)

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

(5)

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

(6)

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

(7)

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

k

depende do

tipo de material

semicondutor, dos níveis de

dopagem e da temperatura.

O valor de V

k

tem um

coeficiente térmico negativo

-2 [mV/

o

C] para o Si

Cristal P

Cristal N

Lacunas

Elétrons

E [

V/m

]

+

+

+

+

-W

(8)

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

(9)
(10)

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

(11)
(12)

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

(13)

Sem Polarização (V

D

= 0V)

Resumindo, para V

D

= 0V

Corrente em qualquer direção é zero

(14)

POLARIZAÇÃO REVERSA

(15)

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

(16)

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

(17)

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

o

C;

Polarização Reversa

Chave aberta

Cristal P N+ P+ Cristal N WR WR > WO VR + -EEXT Anodo Catodo IR = IS IR = IS

(18)

POLARIZAÇÃO DIRETA

(19)

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!!!

(20)

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).

(21)

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

(22)

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

D

V

.

S

D

k

T

k

(23)

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

D

V

.

S

D

k

T

k

Equação de

Shockley

(24)

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

ELT008 - Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 3 - Diodo de Junção 24

Cristal P N+ P+ Cristal N WD WD < WO VD + -EEXT Anodo Catodo ID ID

(25)
(26)

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

D

V

.

S

D

k

T

k

S

V

.

S

D

I

.

e

I

I

D

T

k

k

Perguntas:

1. Qual o termo variável mais importante na equação?

2. O que acontece quando este termo é positivo e

aumenta?

(27)

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

k

k

v

v

v

(28)

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

k

k

v

v

v

(29)

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

k

k

v

v

v

(30)

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

k

k

v

v

v

(31)

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

k

k

v

(32)

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 32

S

V

.

S

D

I

.

e

I

I

D

T

k

k

v

(33)

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

k

k

Até vencer a Barreira de

Potencial (V

k

=V

TH

) da região

de depleção!

Para o Silício

V

TH

0,7 [V] @

25

o

C.

(34)

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

k

k

(35)

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

k

k

(36)

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

k

k

(37)

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

k

k

(38)

REGIÃO ZENER

(39)

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

(40)

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

(41)
(42)

EFEITOS DA TEMPERATURA

(43)

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

(44)

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

(45)

DIODO IDEAL vs. DIODO

SIMPLIFICADO

(46)

Diodo Ideal

Chave fechada → Polarização Direta

Chave aberta → Polarização Reversa

(47)

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:

(48)

EXERCÍCIOS RESOLVIDOS

(49)

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

(50)

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

(51)

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

o

C e que cada

10

o

C I

S

dobra, logo:

I

S

= 20 nA @ 35

o

C

I

S

= 40 nA @ 45

o

C

I

S

= 80 nA @ 55

o

C

I

S

= 160 nA @ 65

o

C

I

S

= 320 nA @ 75

o

C = 0,32µA

I

S

= 10 nA @ 25

o

C e que cada

10

o

C I

S

dobra, logo:

I

S

= 5 nA @ 15

o

C

I

S

= 2,5 nA @ 5

o

C

I

S

= 1,875 nA @ 0

o

C

Pode-se efetuar os cálculos considerando

também que a corrente de saturação

aumenta 7% para cada grau aumentado

(52)

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

I

D

= 7,2mA

S V . S D

I

.

e

I

I

D

Tk k

(53)

Exercício 3

Usando a equação de Shockley determine a corrente de

diodo a 100

o

C para um diodo de silício com I

S

= 5µA e uma

polarização direta aplicada de 0,6V.

I

D

= 56,3 mA

S V . S D

I

.

e

I

I

D

Tk k

(54)

Exercício 4

Suponha V = 5V . O diodo está aberto ou em curto?

Qual o valor da tensão V

D

?

Referências

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