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
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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)
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Aplicações
Porta OR
Porta AND
Circuitos limitadores
D1
VDD
5V
D2
R1
D3
R1
Multiplicador de
tensão
D1
Formatador de Seno
D2
etc
D3
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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
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Semicondutor
tipo-n
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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)
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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
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nno  N D
n
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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
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n
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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
+
+
+
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n
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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.
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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.
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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
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0
0,2
0,4
0,6
0,8
Tensão (V)
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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.
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Sensibilidade à temperatura

Vbe varia cerca de -2mV/Cº para valores
semelhantes de Ic.
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Característica do Díodo
(com zona de disrupção)
Id
Tensão de
Disrupção (Vz)
0.7V
Vd
Disrupção
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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
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V
1
Cj
Q
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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
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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
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1 / rd
Vd
vd(t)
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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.
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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
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Tipo-n
 xp
pn 0
xn
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Circuitos limitadores
V2
12V
Circuito de clamping
Duplicador de tensão
2Vpp
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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
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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
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VT
Id 
C j0
 VR 
1  
 VO 
m
 nvVd

id  I S  e t  1




+
Id
Vd
Tempo de transito
T
Cd
-
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