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 2 O Díodo Ideal Vd 0 - circuitofechado Um díodo consiste num dispositivo capaz de permitir a passagem de corrente num sentido e impedir no sentido oposto. Vd 0 - circuitoaberto Símbolo do díodo Característica do díodo Vd cátodo ânodo + Id Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 Vd Id corrente 3 Rectificador de corrente Re ctidicador de Corre nte D1 15 10 10V 100Hz 0Deg Amplitude V1 R1 5 0 0 0,005 0,01 0,015 0,02 -5 -10 -15 te m po (s ) Rectificador de onda completa 2 D2 V1 10V 100Hz 0Deg 4 15 1 R1 3 1B4B42 Amplitude 10 5 0 -5 0 50 100 150 200 250 -10 -15 tempo (segundos) Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 4 Aplicações Porta OR Porta AND Circuitos limitadores D1 VDD 5V D2 R1 D3 R1 Multiplicador de tensão D1 Formatador de Seno D2 etc D3 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 5 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-p Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 Semicondutor tipo-n 6 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. Região de depleção + p E - V + + + n Diferença de potencial, V < 0 0 Campo eléctrico (E) 0 x Potencial (V) Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 7 A junção p-n em equilíbrio termodinâmico 0 0 Campo eléctrico (E) Potencial (V) - Carga 0 p(x) p p0 N A 2 n(x) x n n p0 i NA p + pn ( x) pn 0 e x 2 ni pn 0 ND Vd Vt Região de depleção - W Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 nno N D n 8 Lei da junção pn ( x) pn0 e v( x) Vt Aumenta com a corrente no díodo p(x) p p0 pn (0) nno 2 n(x) n n p0 i NA p 2 n pn 0 i ND Região de depleção - W Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 n 9 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 Região de depleção + p E - V + + + Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 n 10 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 11 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 12 Equações aos terminais id I S e vd nVt Lp Dp p Dp D n I s A q ni L N L N n A p D 2 1 kT VT 25m V q Caracteristca de um Diodo com Is=10e-14A Ln Dn n Comprimento de difusão I S corrente Corrente (A) Tempo de vida médio 0,1 Vd~0,7V 0,08 0,06 0,04 0,02 0 de saturação Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Tensão (V) 13 Região de disrupção Efeito de Zener Se a tensão inversa aplicada a um díodo for muito forte dáse um fenómeno de disrupção, segundo o qual o díodo passa a conduzir. Existem dois efeitos que podem dar origem á disrupção: 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 14 Sensibilidade à temperatura Vbe varia cerca de -2mV/Cº para valores semelhantes de Ic. Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 15 Característica do Díodo (com zona de disrupção) Id Tensão de Disrupção (Vz) 0.7V Vd Disrupção Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 16 A capacidade da junção Largura variável da região de depleção: Cj q 2 1 1 VO VR dep s q N A N D Vo A carga armazenada não é proporcional à tensão. De facto a tensão aumenta aproximadamente com o quadrado da carga. Para pequenos sinais: Cj C j0 VR 1 VO Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 V 1 Cj Q 17 Modelo simplificado Vd 1 / rd Id 0,7V vD 0.7V rD 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 18 Modelo de pequenos sinais iD I D id vD VD vd Desde que: vd VD v d(t) id(t) Id D1 id(t) Vd n VT rd ID Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 1 / rd Vd vd(t) 19 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 20 Modelo de alta-frequência Capacidade da junção Polarização inversa Cj C j0 VR 1 VO Polarização directa Rd m LP D p p Cd C j 2C j 0 Capacidade de difusão Q P I P n In Q T I Cj T Cd VT I n Vt rd Id Tipo-p Região de depleção n(x) p(x) n p0 Carga armazenada Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 Tipo-n xp pn 0 xn 21 Circuitos limitadores V2 12V Circuito de clamping Duplicador de tensão 2Vpp Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 22 Díodos especiais Schottky-barrier díodo Varactors Condensadores variáveis, coeficiente m=3, 4 Photodiodes 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) 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 23 Modelo SPICE C D Cd C j Corrente de Saturação Coeficiente de emissão Resistência ohmica Tensão interna Capacidade da junção com polarização nula Coeficiente de gradiente IS 10e-14 A N 1 RS 0 VO VJ 1V CJ 0 m CJ 0 0F M 0,5 IS n RS RS T TT 0s Tensão de disrupção VZK BV inf Corrente inversa na saturação I ZK IBV 1e-10A Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 VT Id C j0 VR 1 VO m nvVd id I S e t 1 + Id Vd Tempo de transito T Cd - 24