Fundamentos de Electrónica
Díodos
Roteiro




O Díodo 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
Id
cátodo
ânodo
+
Vd
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Vd
Id
corrente
3
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 de
valores de Is e correntes.
A resistência rd assume normalmente valores reduzidos
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4
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 )
2
D2
Rectificador de onda completa
V1
10V 100Hz 0Deg
4
1
15
R1
1B4B42
Nota: a massa na saída não é igual á
massa na entrada
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Amplitude
3
10
5
0
-5 0
50
100
150
200
250
-10
-15
tempo (segundos)
5
Fonte linear
R1
0.5ohm
D1
R2
C1
T1
100ohm
200uF
311.13V 50Hz
D3
R3
500ohm
V1
220 V rms
26:1
D2
Ajuste final num
programa de simulação
Fonte com tensão DC de 5V e capaz de fornecer 25mV de corrente. Diodo de Zener tem 10 para
Iz=20mA que necessita de uma corrente de cerca de 5mA para funcionar correctamente.
Escolhendo uma tensão de pico no secundário de 12V de forma a distribuir cerca de 3V para
oscilação no condensador, 3V para queda de tensão na resistência, e 1 V de queda de tensão nos
diodos temos:
C1 = I t / V = (25mA+5mA) / 50 Hz / 3 V = 200uF
A resistência R2 deve ser suficientemente pequena para fornecer os 30mA à carga mas deve limitar
ao máximo a corrente no zener (a 30mA) quando a carga é de impedância elevada e a tensão no
condensador toma valores máximos, para limitar a potencia dissipado por este, ou seja devemos ter
R2=3V/ 30mA= 100 . Mas este assunto não é inteiramente desta cadeira.
A resistência R2 é responsável por perdas na fonte.
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6
Fonte comutada
D1
R1
0.5ohm
J1
C1
T1
C2
R3
500ohm
311.13V 50Hz
V1
220 V rms
D2
Um exemplo muito simples de uma fonte comutada
(conversor AC/DC).
Sempre que o a tensão em C2 baixe dos 5V J1 liga e desliga
quando subir acima dos 5V. O interruptor liga e desliga com
uma frequência elevada de forma a manter uma tensão
continua de 5V na saída.
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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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8
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
9
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
NA
E
-
V
+
+
+
N N
VO  VT ln A 2 D
 ni



-
n
ND
Diferença de
potencial, V < 0
0
Campo eléctrico (E)
Potencial (V)
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x
VO
10
A junção p-n em equilíbrio termodinâmico
0
Campo eléctrico (E)
x
V
 E
x
Potencial (V)
-
Carga
0
p(x)
+
p p0  N A
Escala logarítmica
2
n(x)
E 

x 
n
n p0  i
NA
p
pn ( x)  pn0 e

v( x)
Vt
Região de depleção - W
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x
2
ni
pn 0 
ND
nno  N D
n
11
Região de depleção

Devido à recombinação entre electrões e livres e
lacunas existe uma região em que a concentração
destes está bastante abaixo do restante:
Região de depleção
ou região de transição
Região de
depleção
+
p
E
-
V
+
+
+
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n
12
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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13
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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14
Equações aos terminais

id  I S  e


vd
nVt
 Dp

D
n

I s  A q ni 

L N

L
N
n
A 
 p D

 1


2
kT
VT 
 25m V
q
Lp  Dp  p
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)
15
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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16
Sensibilidade à temperatura
Vbe varia cerca de -2mV/Cº para valores
semelhantes de Ic.
ic

0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
-0,1 0
-40ºC
27ºC
120ºC
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Vbe
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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
(em polarização inversa)

Largura variável da região de depleção:
 2  1
1 
VO  VR 
dep   s 

 q  N A N D 
N N
VO  VT ln A 2 D
 ni
q
Cj



V
A carga armazenada não é proporcional à tensão. De facto a
tensão aumenta aproximadamente com o quadrado da carga.

Para pequenos
sinais:
Cj 
C j  A s / dep
C j0
VR
1
VO
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 s q 1
1 1 1

C j0  A
N  N D  VO
2
A
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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)
20
Modelo de pequenos sinais
 nvVD

t
iD  I S  e  1  f (vD )




 nvVD

t

I S e  1



  ID  1
f ' VD  
n Vt
n Vt rd
Fórmula de Taylor
iD  f VD   f ' VD vD  VD  
iD  I D  vd / rd 
vD  VD   vd
id  vd / rd
vD  VD  vd
n Vt
rd 
ID
i D  I D  id
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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 
m
Polarização directa
C j  2C j 0
Capacidade de difusão
Q   P I P  n In
Q  T I
LP  D p  p
 T
Cd  
 VT

 I

Rd
Tipo-p
Cj
Cd
Região de
depleção
n(x)
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Tipo-n
p(x)
n p0
Carga
armazenada
n Vt
rd 
Id
 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 não se produz díodo (contactos ohmicos)
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 (sensores de luminancia)
Polarização directa corresponde às células solares
LEDs


A recombinação de pares electrões lacunas gera fotões
Led+photodiodo = isolador óptico
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25
Modelo SPICE
C D  Cd  C j 
Corrente de Saturação
Coeficiente de emissão
Resistência ohmica
Tensão intrinseca
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
-
26
Lei da junção
O aumento da energia potencial das lacunas (com o aumento do potencial)
implica uma diminuição da energia cinética destas e a diminuição do número
de lacunas
pn ( x)  pn0 e
v( x)

Vt
n p ( x)  n p 0 e
2
p(x)
n
pn 0  i
ND
nno
2
n(x)
v( x)
Vt
n
n p0  i
NA
p
Região de depleção - W
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n
27
Cálculo da corrente aos terminais
pp  N A

No fim da região de depleção
temos:
vD
v D   v ( 0)
Vt
pn (0)  pn0 e
Região
de
depleção
  Lx  vD
 
Vt
P
pn ( x)  pn 0  e  e  1  1






e
0
pn (0)
pn 0
2
LP
n
pn 0  i
ND
Como nesta zona só existe corrente de difusão (o campo eléctrico é nulo),
temos que a componente da corrente devida às lacuna é dada por:
2
v
 1
pn ( x)
ni  VtD

i p   AqDP
 AqDP
e  1

x
ND 
 LP
Como a corrente de electrões ou de
lacunas é aproximadamente
constante ao longo da junção,
iD
juntando a corrente devida aos
electrões livres fica:
 DP
DN
 A q ni 

 N D LP N A LN
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2

 vVtD

 e  1




28
Cálculo da corrente aos terminais

Notas:

Em regime estacionário (equilíbrio termodinâmico) temos

Vd=0 e v(0)=0V e portanto pn(0)=pn0

Aplicar uma tensão aos terminais do díodo provoca uma diminuição de
v(x) relativamente ao que se passa para a junção em equilíbrio
termodinâmico, resultando v(0)=-Vd o que provoca um aumento de
pn(0).

O campo eléctrico no exterior da junção é pequeno mas não será nulo
devido à igualdade dos integrais de linha do campo pelo interior e pelo
exterior da junção.
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