Diodos convencionais são dopados com
um átomo de impureza para cada dez milhões de átomo de semicondutor intrínseco.
Aumentando-se a dopagem para mil átomos de impureza para cada dez milhões de átomo de semicondutor intrínseco , obtém-se uma região de resistência negativa (Leo Esaki).
Suas três principais características são: Sua corrente direta aumenta até um
valor de pico, com uma pequena tensão de polarização direta aplicada;
Redução da corrente direta com o
aumento da polarização, até um valor de corrente de “vale”;
Aumento da corrente direta com aumento adicional da tensão de polarização.
O aumento da dopagem reduz a largura da região de depleção.
Diodo túnel
Diodo túnel
Diodo Esaki
Um diodo túnel polarizado para operar em região de resistência
negativa pode ser empregado como oscilador ou amplificador em altas freqüências.
A operação em altas freqüências é possível graças à velocidade com que o efeito túnel acontece, com efeito de tempo de trânsito muito pequeno.
Encontra boa aplicação em dispositivos de chaveamento (comutação) em alta velocidade. O aumento da dopagem reduz a
Oscilador a diodo túnel
Um diodo túnel polarizado no centro da região de resistência funciona como um oscilador bastante estável em altas freqüências, dentro de uma cavidade ressonante.
Podem ser sintonizados
mecanicamente (quando implantado em uma cavidade ressonante) ou eletronicamente.
Os diodos túnel sintonizados podem utilizar linhas de
transmissão, cabos coaxiais ou guias de onda na sintonia.
Oscilador a diodo túnel
A potência de saída do circuito ao lado é de algumas centenas de
microwatts, suficientes para muitas aplicações em microondas.
A freqüência de oscilação é determinada pela posição do parafuso de sintonia.
A sintonia pode ser feita, ainda, por tensão de polarização ou com
Amplificador a diodo túnel
É uma importante aplicação na área de microondas devido ao baixo
ruído gerado.
O filtro serve para selecionar a faixa a ser amplificada e para casar as impedâncias com o objetivo de melhorar o ganho.
Se houver algum descasamento de impedâncias na porta 3, a carga RL absorverá a energia direcionada pelo circulador.
Conversores a diodo túnel
O diodo túnel permite a construção de excelentes conversores de freqüência graças à sua elevada não linearidade.
Ao contrário de muitos outros conversores, o diodo túnel executa a conversão com aumento da potência.
Pode ser construído de forma a operar simultaneamente como oscilador local e conversor de freqüência.
Para que opere com ganho será necessário que seja polarizado na região de resistência negativa.
Lembrar que nem sempre ganhos elevados são vantajosos devido ao risco de instabilidade.
Diodo Gunn
É formado por apenas pelo semicondutor tipo N, com três camadas, sendo a do meio com
dopagem menor. As camadas N laterais evitam a migração de íons metálicos dos terminais para a camada ativa.
É utilizado como oscilador de microondas, entre 5 e 140 GHz.
A freqüência de oscilação depende da espessura da camada ativa, porém pode ser ajustada. Na maioria das vezes o ajuste da sintonia é feito mecanicamente, mas pode ser ainda feito pela tensão de polarização ou com auxílio de um diodo varactor.
Encontra grande aplicação em radares de trânsito, alarmes e detectores de movimento.
Circuito equivalente na cavidade
Diodo Gunn
Tabletes de arsenieto de Gálio (GaAs), Fosfeto de Índio (InP) ou nitreto de Gálio (GaN), ambos tipo N.
Apesar do nome diodo, não possui junção.
Possui uma região de resistência negativa, a exemplo de outros componentes, na qual a velocidade de deslocamento diminui com o aumento da tensão
aplicada aos seus terminais.
contato metálico
do catodo
contato metálico
do anodo
domínio eletrônico
(camada ativa)
GaAs tipo N
Movimento do domínio
Transiente
Os domínios se movem pelo
arsenieto de gálio até o terminal
positivo.
Quando o domínio atinge o
terminal positivo, desaparece e
um novo domínio se forma.
Quando o domínio desaparece,
forma-se um pulso de corrente.
O período dos pulsos é igual ao
tempo de transito.
Diodo Gunn
Diodo Gunn em antena de cavidade
Diodo Gunn em cavidade
Modos de operação do Diodo Gunn
Modo de amplificação estável
Funciona como um amplificador;
Neste aspecto, a concentração de dopagem versus comprimento da região ativa deve ser inferior a 1012/cm2 .
Modo de trânsito
Opera de forma não ressonante e depende da tensão de polarização aplicada;
A concentração de dopagem deve estar entre 1012 e 1014/cm2 ;
A freqüência de operação depende do tempo de trânsito do pulso pela região ativa,
Modos de operação do Diodo Gunn
Modo de carga espacial limitada
Depende de um indutor de RF para excitar uma cavidade ressonante de alto fator de qualidade (Q);
A concentração de dopagem versus comprimento da região ativa deve ser igual ou superior a 1012/cm2 ;
A eficiência pode chegar a 20%, superior à dos outros dois; O período de oscilação é: Vb = tensão de polarização Vth = tensão limiar
1
2
b thT
LC
V
R
V
π
=
+
Modos de operação do Diodo Gunn
Modo de carga espacial limitada (continuação)
A potência útil de saída de um circuito oscilador ou amplificador é:
V = tensão aplicada I = corrente aplicada
Para um diodo Gunn, a expressão é:
M = relação entre a tensão de polarização e a tensão limiar E = campo elétrico limiar (kV/cm)
L = comprimento em centímetros N0 = concentração de doadores
e = carga de um elétron
A = área da seção reta do componente em cm2
o
P
=
η
VI
0
o
Diodo IMPATT
IMPATT = ImPact Avalanche And Transit Time.
Opera na região de avalanche (polarização inversa, mediante a aplicação de um campo elétrico intenso e tensão de polarização de 70 a 100 volts.
O efeito avalanche não é instantâneo. Ocorre um rápido atraso de fase entre a aplicação da tensão de ruptura e o surgimento da corrente de avalanche.
Em 1959, W. T. Read, dos Laboratórios Bell lançou a tese de que o retardo na fase poderia criar uma resistência negativa, fato este confirmado em 1965, no mesmo Laboratório, por Lee e Johnson, com a invenção do então denominado “diodo Read”.
O componente criado gerou 80 mW em 12 GHz, com uma junção PN de silício. A partir daí passou a chamar-se diodo IMPATT.
Diodo IMPATT
A estrutura física é semelhante à do diodo PIN.
A tensão aplicada causa ruptura momentânea, uma vez em cada ciclo.
O processo gera uma corrente pulsante através do componente. É utilizado basicamente em osciladores de microondas, podendo chegar a 300 GHz, com rendimento de até 15%.
Possuem baixo rendimento, o que limita seu uso em transmissões pulsadas, na maioria dos casos, além de ter seu desempenho
Diodo IMPATT
Principais aplicações:
Receptores de radar de trânsito; Sistemas de alarme;
Amplificadores com resistência negativa; Multiplicadores de freqüência.
Apesar da estrutura básica mostrada, pode ser encapsulado de várias formas, conforme a conveniência.
É mais ruidoso que o diodo Gunn porém possuem melhor estabilidade e potência mais elevada.
Sua principal desvantagem é o elevado ruído de fase gerado pelo processo de avalanche.
Camada intrínseca
Podem ser construídos à base de silício (até 10 W) ou arsenieto de gálio (até 20 W).
Diodo IMPATT
Diodo IMPATT
Possui duas regiões: a de avalanche (ou de injeção) e a de deslocamento. Pares elétrons- lacunas são criados no ponto de campo elétrico mais elevado (região de avalanche) e são fortemente acelerados.
Na avalanche, os portadores, ao colidirem com a rede cristalina, liberam outras portadoras.
Os novos portadores liberados são também acelerados, liberando ainda mais portadores,
A presença da resistência negativa combinada com o efeito avalanche gera uma oscilação na faixa de microondas.
Diodo IMPATT
Durante a oscilação ocorre uma efeito de defasagem de 180° entre a tensão e a corrente induzida.
ponto de campo elétrico mais elevado (região de avalanche) e são fortemente acelerados.
Na avalanche, os portadores, ao colidirem com a rede cristalina, liberam outras
portadoras.
Os novos portadores liberados são também acelerados, liberando ainda mais
portadores,
A presença da resistência negativa combinada com o efeito avalanche gera uma oscilação na faixa de microondas. O diodo IMPATT opera com tensões de polarização da ordem de 70 V CC, ou mais, o que restringe suas aplicações.
Diodo IMPATT
Exemplo de especificações
Specifications Frequency Band Q V W Frequency Range (GHz) 43-47 58-62 92-97 Waveguide Size WR-22 WR-15 WR-10Bandwidth Range (GHz) Up to 2 GHz depending on number of stages
Power Output Range (Watts) Long Pulse (pulse width
1 uS - 1 mS / duty 0-50%) 0.2 - 1.0 0.1 - 0.5 0.1 - 0.2 Short Pulse (pulse width
Diodo IMPATT
Exemplo de especificações
Frequency Band Q V W
Frequency Range (GHz) 43-47 58-62 92-97
Waveguide Size WR-22 WR-15 WR-10
Bandwidth Range (GHz) Up to 2 GHz depending on number of stages
Power Output Range (Watts) 0.2 - 1.0 0.1 - 0.4 0.1 - 0.2
Gain Range (dB) Single Stage 7 - 13 6 - 13 6 - 13 Double Stage 10 - 20 10 - 20 10 - 20 Specifications
Diodo Schottky
Baseia-se em uma junção metal-semicondutor de baixíssima capacitância; Principais aplicações: conversão de freqüência; retificação; demodulação de amplitude.Pode ser modelado como um resistor não linear na forma:
(
)
(
A
)
I
n
K
T
mV
nkT
q
e
I
V
I
s V S 6 -15 -a
10
10
saturação
de
corrente
2
2
,
1
290
)
25
(
1
1
)
(
=
≤
≤
=
≅
=
−
=
α
αV
dDiodo PIN
Sua principal utilidade é em comutadores para microondas, em substituição aos mecânicos, lentos e volumosos. Tempo de comutação pode ser inferior a 10 ns; Valores típicos:
Capacitância da junção (Cj): 1 pF Indutância da camada I (Li): 0,5 nH Resistência inversa (Rr): 5 Ω
Resistência direta (Rf): 1 Ω
Efeitos parasitas devido ao
encapsulamento não estão indicados nos circuitos equivalentes ao lado.
Diodo PIN - Exercício
Um comutador foi construído com um diodo PIN com os seguintes parâmetros:
Capacitância da junção (Cj): 0,1 pF
Indutância da camada I (Li): 0,4 nH Resistência inversa (Rr): 1 Ω
Resistência direta (Rf): 5 Ω
Considerar uma freqüência de operação de 5 GHz e uma impedância Z0 = 50 Ω, qual das configurações apresentará menor perda de
Diodo varactor
Varicap
A polarização inversa de um diodo faz surgir na junção uma região com características de dielétrico (região de depleção).
A largura da região de depleção depende, entre outras coisas, da tensão inversa, enquanto a tensão de ruptura não é atingida.
Como a largura da região de depleção varia, tem-se uma capacitância variável.
Diodos construídos para funcionar com capacitância variável são denominados diodos varactores ou
varicaps.
Principais aplicações:
transceptores móveis;
redes locais de computadores via rádio; receptores de televisão, etc.
Menor tensão de polarização Região de depleção mais estreita
Maior capacitância
Maior tensão de polarização Região de depleção mais larga
Diodo varactor
(variable reactor )
Basicamente, todo diodo apresenta as
características do varactor. Entretanto, os diodos que são produzidos especificamente para
funcionar como varactor tem estas
características enfatizadas na produção.
Nem todo varactor é formado por diodo. Em alguns componentes, como o CMOS, os
varactores podem ser construídos através da implantação de uma região fortemente dopada positivamente (implante P+) dentro de uma região levemente dopada positivamente.
Menor tensão de polarização Região de depleção mais estreita
Maior capacitância
Maior tensão de polarização Região de depleção mais larga
Diodo varactor
C0 (geralmente 0,2 pF) e V0
(geralmente 0,5 V) são constantes;
γ é um expoente que varia entre 1/3 e 5, de acordo com o perfil de
dopagem do semicondutor. Valor típico: 0,5;
Rj é uma resistência em série da
junção e de contato com os terminais, da ordem de poucos ohms;
A capacitância da junção varia de 0,1
pF a 0,2 pF para variações de tensão
de polarização de 2,0 a 0 volts.
A largura da região de depleção é,
geralmente, proporcional à raiz
quadrada da tensão aplicada.
Rs Cj(V) Rj 0 0
