Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Dispositivos a Semicondutor O Diodo de Junção Bipolar Prof. Dr. Marcos Lajovic Carneiro Aula 1 O Diodo de Junção Bipolar 5.1) Introdução • Junção PN Bloco construtivo básico que fundamenta a operação dos dispositivos a semicondutor Propriedades retificadoras • Diodo de Junção Bipolar O Diodo de Junção Bipolar 5.2) Junção PN não polarizada • Cristal P Lacunas portadores majoritários • Cristal N Elétrons livres portadores majoritários • Junção PN – Elétrons livres (de N) se combiam com as lacunas (de P) – Formação de camada negativa no cristal P e camada positiva no cristal N – Formação da Região ou Camada de Depleção (largura W) – Campo elétrico retardador da junção barreira de potencial O Diodo de Junção Bipolar 5.2) Junção PN não polarizada • Campo elétrico da junção PN Caracteristica retardadora para portadores majoritários Característica aceleradora de portadores minoritários (corrente de condução) Portadores do Cristal P Majoritários: Lacunas Minoritários: elétrons-livres Portadores do Cristal N Majoritários: elétrons-livres Minoritários: Lacunas O Diodo de Junção Bipolar 5.2) Junção PN não polarizada - Intensidade do campo elétrico na junção. - Campo negativo devido a orientação do eixo x - Não há campo em regiões longes da junção Variação do potencial eletrostático provocado pelo campo elétrico contra a difusão de portadores através da junção O Diodo de Junção Bipolar 5.3) Junção PN polarizada • Característica essencial da junção PN – Ação unidirecional ou retificadora – DDP no sentido direto passagem de um grande número de portadores – DDP no sentido reverso praticamente elimina a passagem de portadores O Diodo de Junção Bipolar 5.3.1) Polarização Direta • Junção PN isolada impede: – Condução de lacunas do cristal P e condução de elétrons do cristal N • Aplicando uma DDP é possível fornecer força suficiente para os portadores majoritários conduzirem atráves da barreira de potencial. Ligação da fonte Positivo da fonte no material P Negativo da fonte no material N Polarização direta Corrente direta Descrição do movimento de portadores • Lacunas de P conseguem atravessar a barreira da esquerda para a direita. • Elétrons livres de N conseguem atravessar a barreira da direta para esquerda. O Diodo de Junção Bipolar 5.3.1) Polarização Direta Portadores do Cristal P Majoritários: Lacunas Minoritários: elétrons-livres Portadores do Cristal N Majoritários: elétrons-livres Minoritários: Lacunas Elétrons-livres são portadores majoritários do lado N Elétrons-livres se tornam portadores minoritários do lado P Movimento dos elétrons Existem muitos elétrons O Diodo de Junção Bipolar 5.3.1) Polarização Direta Portadores do Cristal P Majoritários: Lacunas Minoritários: elétrons-livres Portadores do Cristal N Majoritários: elétrons-livres Minoritários: Lacunas Lacunas são portadores majoritários do lado P Lacunas se tornam portadores minoritários do lado N Movimento das lacunas Existem muitas lacunas O Diodo de Junção Bipolar 5.3.1) Polarização Direta • Barreira fornece mais níveis de energia para o cristal P Potencial do cristal P mais alto Potencial do cristal N mais baixo • Fonte externa fornece energia para os elétrons subirem a barreira de potencial • Dois caminhos de subida do elétrons – Pela banda de Condução – Pela banda de Valência Difusão das lacunas Quando o elétron (em N) sobe a barreira pela banda de valência (para P) ele deixa uma lacuna em N. Ou seja, lacuna se move de P para N. O Diodo de Junção Bipolar 5.3.1) Polarização Direta Emissão de Luz • Quando o elétron sai da BC e se recombina com uma lacuna em BV, ele emite luz ou calor. O Diodo de Junção Bipolar 5.3.1) Polarização Direta Resistências em um dispositivo com junção PN (PARASITAS RESISTIVOS) Resistência do contato Metal-Cristal P Resistência da região de depleção Resistência de corpo Resistência do contato Cristal N-Metal O Diodo de Junção Bipolar 5.3.2) Polarização Reversa • Positivo da fonte no cristal N – Força os elétrons-livres do cristal N a se distanciarem da junção PN • Negativo da fonte no cristal P – Força as lacunas do cristal P a se distanciarem da junção P • Aumenta a largura da camada de depleção – Decréscimo a zero da difusão dos portadores majoritários – Aumento da barreira de potencial O Diodo de Junção Bipolar 5.3.2) Polarização Reversa • Campo da região de depleção acelera os portadores minoritários • Elétrons livres minoritários do cristal P passam pela barreira (vão para N) • Lacunas minoritárias do cristal N passam pela barreira (vão para P) Esta pequena condução de corrente forma a CORRENTE DE SATURAÇÃO REVERSA (Is) Parasita • Pequena quantidade de portadores gerados pela temperatura O Diodo de Junção Bipolar 5.3.2) Polarização Reversa Outra corrente reversa (PARASITA) • Corrente de FUGA SUPERFICIAL – Produzida por impurezas na superfície do material Corrente reversa total = Corrente de fuga + corrente de saturação reversa 𝑰𝑹 = 𝑰𝒇 + 𝑰𝑺 normalmente 𝑰𝒇 é desprezada, então 𝑰𝑹 = 𝑰𝑺 O Diodo de Junção Bipolar 5.3.2) Polarização Reversa Tensão de ruptura Se a tensão reversa superar um limite, a junção PN conduz intensamente Efeito avalanche O Diodo de Junção Bipolar 5.4) O Diodo de Junção Bipolar • Diodo de junção bipolar = Contato metálico + Junção PN + Contato metálico • Característica “Condução-não condução” – Chave ON-OFF – Característica retificadora • Materiais utilizados – Germânio – Silício O Diodo de Junção Bipolar 5.4) O Diodo de Junção Bipolar • Exemplos de dispositivos de Germânio – 1N34 – 1N60 – OA79 • Aplicações: – Circuitos de pequenos sinais e altas frequências – Detectores de RF • Exemplos de dispositivos de Silício – 1N4148 • Circuitos lógicos e para proteção de transistores • Retificadores – Série 1N4000 • Circuitos de correntes e tensões mais elevadas Retificadores de alta potência Manual do componente eletrônico O DATASHEET O Diodo de Junção Bipolar 5.4.1) Símbolo e Convenções do Diodo de Junção Comum • Símbolo do diodo Indicações de corrente e tensão em polarização direta Anodo Catodo 𝑉𝐴: potencial do anodo 𝑉𝐾: potencial do catodo O Diodo de Junção Bipolar 5.4.2) Característica Tensão-Corrente do Diodo de Junção • Curva para uma temperatura de referência • Diodo começa a conduzir com uma tensão direta de VD > 𝑉𝛾 (tensão de limiar) • Polarização reversa VD < 𝑉𝛾 Corrente reversa • Tensão de ruptura = Tensão BV (Breakdown voltage) – Correntes elevadas e danificação do diodo O Diodo de Junção Bipolar 5.4.2) Característica Tensão-Corrente do Diodo de Junção • Diodo pode ser considerado como: – Uma baixa resistência no sentido direto – Alta resistência no sentido inverso • Três regiões de operação O Diodo de Junção Bipolar 5.4.2) Característica Tensão-Corrente do Diodo de Junção • Devido a grande diferença entre corrente direta e reversa a característica V-I do diodo é apresentada em duas escalas normalmente: 𝑉𝛾=0.6V 𝐼𝑆=0.05uA 𝐵𝑉=200V 𝑉𝛾=0.6V 𝐼𝑆=0.05uA 𝐵𝑉=200V O Diodo de Junção Bipolar 5.4.3) Especificações Máximas • Em um circuito o diodo é projetado para não ultrapassar as seguintes especificações (para não queimar):1) Tensão reversa menor que tensão de ruptura BV (salvo o diodo Zener) • Nomenclatura para tensão reversa nos datasheets (folha de dados) • PIV, 𝑉𝑅𝑀, 𝑉𝑅𝑊𝑀, PRV, 𝑉(𝐵𝑅) • Exemplos: 1N4001 (BV=50V) 1N4004 (BV=400V) 2) Especificação de Potência ou Corrente ** um diodo geralmente sempre esta ligado com um resistor em série para limitar a corrente que passa por ele. O Diodo de Junção Bipolar 5.4.4) Equação das Características Tensão-Corrente do Diodo de Junção • Equação de Shockley • 𝑉𝑇 = 𝑇 11600 • T = temperatura do material em Kelvin • 𝜂= depende do semicondutor e da corrente 𝐼𝐷 – Exemplo: 𝜂=2 para o silício com baixa corrente 𝜂=1 para o silício com alta corrente • 𝐼𝑆= corrente de saturação reversa O Diodo de Junção Bipolar 5.4.4) Equação das Características Tensão-Corrente do Diodo de Junção • Equação de Shockley O Diodo de Junção Bipolar 5.4.4) Equação das Características Tensão-Corrente do Diodo de Junção • Equação de Shockley 𝑰𝑺 (corrente de saturação reversa) Varia com a temperatura Is dobra a cada 10 graus 𝑽𝑫 (tensão para o diodo conduzir) Reduz com o aumento da temperatura Temperatura máxima de trabalho para o silício esta por volta de 150 graus e para o germânio em torno de 100 graus Exercícios Dicas: Exercícios Exercícios Dicas: Exercícios Próxima aula O Diodo de Junção Bipolar 5.4.5) Conceito de Linha de Carga O comportamento não-linear do diodo requer frequentemente o método gráfico para determinar o valor exato de sua corrente e tensão. Método da linha de carga Equação de uma reta Deve-se encontrar a intersecção com a curva do diodo O Diodo de Junção Bipolar 5.4.5) Conceito de Linha de Carga Método da linha de carga Exercícios Exercícios Exercícios O Diodo de Junção Bipolar 5.5) Modelos do Diodo para Grandes Sinais e Baixas Frequências • Métodos precisos de análise do diodo – Equação de Shockley – Análise da reta de carga • Métodos aproximados – Modelos aproximados de diodo para a realização de cálculos com os métodos normais da teoria de Circuitos Elétricos – Erros introduzidos pelo modelo são desprezíveis para: • Grandes sinais e baixas frequências Diodo Ideal Modelos aproximados do diodo real O Diodo de Junção Bipolar 5.5.1) Modelo do Diodo Ideal • Comportamento de chave ON-OFF – Chave fechada sentido direto (condução) – Chave aberta sentido inverso (corte) • Diodo Ideal Condução – Quando Vd é nulo, Id pode ter qualquer valor positivo – Condução com Id>0 Corte – Quando Id é nulo, Vd pode assumir qualquer valor negativo. – Corte: Vk<Va, ou seja, Vd<0 • Funciona como condutor perfeito (resistência nula) • Sem queda de tensão • Isolante perfeito (polarizado reversamente) O Diodo de Junção Bipolar 5.5.2) Modelos Aproximados do Diodo Real • Modelo do Diodo – Combinação de componentes (circuito equivalente) – Linearização – Representação por componentes lineares e ideais O Diodo de Junção Bipolar 5.5.2) Modelos Aproximados do Diodo Real • Modelo do diodo para região de condução Corrente tão pequena que pode ser desprezada Corte Condução Baixa resistência O Diodo de Junção Bipolar 5.5.2) Modelos Aproximados do Diodo Real • Modelo do diodo para região de corte – Corrente reversa possui duas componentes: • Is = Corrente de saturação reversa (fonte de corrente Is) – Valor pequeno • Corrente ohmica de superfície (resistência Rr) – resistência alta O Diodo de Junção Bipolar 5.6) Aplicações Elementares de Diodos – Circuitos DC • Circuitos com fontes DC • Nestes circuitos, os diodos funcionam em apenas uma região de operação • Foco Problema – Definir região de operação do diodo (corte ou condução) – Análise de hipóteses (suposições) – Método da suposição e prova • Solução indica se a suposição está correta ou não • Análise do diodo em condução Atenção para a corrente • Análise do diodo em corte Atenção para a tensão O Diodo de Junção Bipolar 5.6) Aplicações Elementares de Diodos – Circuitos DC Análise de hipóteses: • Hipótese do diodo em condução: – Verdadeira: se Id>0 – Falsa: se 𝐼𝑑 ≤ 0 • Nesse caso muda-se a hipótese para diodo em corte • Hipótese do diodo em corte: – Verdadeira: se 𝑉𝑑 ≤ 𝑉𝛾 (para diodo real) ou 𝑉𝑑 ≤ 0 (para diodo ideal) – Falsa: se 𝑉𝑑 > 𝑉𝛾 (para diodo real) ou 𝑉𝑑 > 0 (para diodo ideal) • Nesse caso muda-se a hipótese para diodo em condução O Diodo de Junção Bipolar 5.6) Aplicações Elementares de Diodos – Circuitos DC Análise de hipóteses: • Número de hipóteses = 2𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜𝑠 • Solução do problema Determinar qual a suposição verdadeira • Considerações adicionais: – Suposição geral só é verdadeira se cada hipótese parcial for verdadeira. * Se uma hipótese parcial for encontrada como falsa já é possivel partir para a análise de outra situação antes de completar a análise das outras hipóteses parciais. – Em determinados circuitos, uma análise mais detalhada da disposição dos diodos é capaz de demonstrar a região de operação O Diodo de Junção Bipolar 5.6) Aplicações Elementares de Diodos – Circuitos DC AKI O Diodo de Junção Bipolar 5.6) Aplicações Elementares de Diodos – Circuitos DC O Diodo de Junção Bipolar 5.6) Aplicações Elementares de Diodos – Circuitos DC O Diodo de Junção Bipolar 5.6) Aplicações Elementares de Diodos – Circuitos DC O Diodo de Junção Bipolar 5.6) Aplicações Elementares de Diodos – Circuitos DC O Diodo de Junção Bipolar 5.6) Aplicações Elementares de Diodos – Circuitos DC O Diodo de Junção Bipolar 5.6) Aplicações Elementares de Diodos – Circuitos DC - Ramos dos diodos são iguais, devem operar na mesma região. - Hipoteses descartadas: - D1 em corte, D2 em condução - D1 em condução, D2 em corte - Hipóteses possíveis: - D1 e D2 em condução. ** Mais provável - D1 e D2 em corte. O Diodo de Junção Bipolar 5.6) Aplicações Elementares de Diodos – Circuitos DC O Diodo de Junção Bipolar 5.6) Aplicações Elementares de Diodos – Circuitos DC O Diodo de Junção Bipolar 5.6) Aplicações Elementares de Diodos – Circuitos DC O Diodo de Junção Bipolar 5.6) Aplicações Elementares de Diodos – Circuitos DC Observações do exercício Se V1 = V2 = 5V, então Vo = 5V (SAÍDA ALTA) Se V1 = 5V e V2= 0V, então Vo = 0,73V (SAÍDA BAIXA) Se V1 = 0V e V2= 5V, então Vo = 0,864V (SAÍDA BAIXA) Comportamento da porta lógica AND O Diodo de Junção Bipolar 5.7) Aplicações Elementares de Diodos – Circuitos AC • Circuito em que pelo menos uma fonte é AC • Método da suposição não é conveniente/suficiente – Diodo pode trabalhar em diferentes regiões no mesmo circuito. – Circuito pode possuir diversos diodos. – Número muito grande de possibilidades • Método da característica de transferência – Determinar equações que regem o comportamento do circuito O Diodo de Junção Bipolar 5.7.1) Característica de Transferência • Equação que expressa comportamento das variáveis de saída em função das variáveis de entrada O Diodo de Junção Bipolar 5.7.2) Análise de Circuitos AC • Etapas para análise de circuitos AC contendo diodos: 1) Admitir suposições gerais sobre o funcionamento dos diodos. 2) Aplicar os modelos do diodoreal ou ideal e resolver o circuito pela teoria de Circuitos Elétricos (Leis de Kirchoff) 3) Para cada hipótese feita, determinar a característica de transferência e a condição para que a mesma seja verdadeira. Condições: - Modo de condução: 𝐼𝐷 > 0 para o diodo real ou ideal - Modo bloqueado: 𝑉𝐷 ≤ 𝑉𝛾 (diodo real) ou 𝑉𝐷 ≤ 0 (diodo ideal) 3.1) Corrente 𝐼𝐷 deve ser adotada positiva no sentido anodo-catodo e tensão 𝑉𝐷 positiva no sentido da polarização direta (𝑉𝐷 = 𝑉𝐴 − 𝑉𝐾) 3.2) Característica de transferência e suas condições calculadas em função apenas das variáveis de entrada e saída. 3.3) Condições expressam limites de entrada para que as saídas sejam verdadeiras. 3.4) Característica de transferência e condições devem ser contínuas. Próxima aula 5.7.3) Circuitos retificadores • Conversores CA-CC : Retificadores • Conversão de tensão/corrente alternada em tensão/corrente contínua 5.7.3) Circuitos retificadores • Conversores CA-CC : Retificadores • Conversão de tensão/corrente alternada em tensão/corrente contínua 5.7.3) Circuitos retificadores Início da condução Ângulo de condução Fim da condução Ângulo de extinção Período de condução do diodo Diodo real 5.7.3) Circuitos retificadores Diodo IDEAL 5.7.3) Circuitos retificadores Fonte senoidal em série com fonte DC 5.7.3) Circuitos retificadores Flutuações de tensão prejudicam os circuitos eletrônicos CC - Uso de filtros para reduzir o RIPPLE. - Filtro mais simples: Capacitor em paralelo Carga e descarga do capacitor Quanto maior o capacitor, menor o ripple 5.7.3) Circuitos retificadores Detalhe da queda de tensão no diodo Devido a queda de tensão no diodo a tensão máxima da onda retificada é menor que da fonte 5.7.3) Circuitos retificadores Retificadores de onda completa 5.7.4) Circuitos limitadores e fixadores • Circuitos limitadores – Utilizados para selecionar uma parte da onda de entrada que se quer transmitir, acima ou abaixo de um determinado nível de referência. • Circuitos fixadores – Utilizados para selecionar uma faixa da onda de entrada, abaixo e acima de determinados níveis de referência que se quer transmitir. 5.7.4) Circuitos limitadores e fixadores • Circuitos limitadores – Grampo positivo de diodo Característica de transferência 5.7.4) Circuitos limitadores e fixadores • Circuitos limitadores – Grampo positivo de diodo Condição para condução: 5.7.4) Circuitos limitadores e fixadores • Circuitos limitadores – Grampo positivo de diodo 5.7.4) Circuitos limitadores e fixadores • Circuitos limitadores – Grampo positivo de diodo Método gráfico Próxima aula 5.8) Modelo do diodo para pequenos sinais • Modelo de grandes sinais Diodo simplificado Comportamento ideal ON-OFF ou modelo linear • Modelo de pequenos sinais Usado para sinais pequenos comparados com a tensão de limiar do diodo Vs < Vy Tensão da fonte alternada não é capaz de fazer o diodo conduzir Iserção de um nível CC para polarizar o diodo 5.8) Modelo do diodo para pequenos sinais Nível CC Pequeno sinal AC Sinal de entrada Detalhe dos limites do sinal 5.8) Modelo do diodo para pequenos sinais - Pequeno sinal oscila em torno do valor da fonte CC - Sinal oscila em um pedaço de curva que pode ser simplificado para uma reta (linearização) 5.8) Modelo do diodo para pequenos sinais Gradiente da função no ponto Q Unidade: condutância Encontrando o gradiente para linearizar o comportamento do diodo 5.8) Modelo do diodo para pequenos sinais Gradiente da função no ponto Q Unidade: condutância Modelo do diodo para pequenos sinais Apenas uma resistência 5.8) Modelo do diodo para pequenos sinais A análise de um circuito com uma fonte CC e uma CA deve ser feita pelo teorema da superposição: Fonte CC Modelo do diodo para grandes sinais Fonte CA Modelo do diodo para pequenos sinais Corrente e tensão possuem duas componentes: Listas de exercício Grupos de 5 alunos Entregar até o final da aula (nota de lista de exercícios) • Grupo 1 • Grupo 2 • Grupo 3 • Grupo 4 • Grupo 5 Cada grupo deve escolher um dos exercícios para fazer no quadro. (0.5 pontos extra na P3 – se estiver certo) Listas de exercício Entregar até o final da aula (nota de lista de exercícios) • Grupo 1 Exercícios: 1, 20 • Grupo 2 Exercícios: 2, 21 • Grupo 3 Exercícios: 3, 12 • Grupo 4 Exercícios: 5, 11 • Grupo 5 Exercícios: 9, 10 Cada grupo deve escolher um dos exercícios para fazer no quadro. (0.5 pontos extra na P3 – se estiver certo) Questões • 1) O que é a região de depleção? Como ela é formada? • 2) Explique a polarização direta e reversa (regiões de condução e corte) de uma junção PN. • 3) O que é o diodo de junção? Qual a sua principal característica? • 4) Explique a característica de funcionamento de comutador de um diodo ideal. • 5) Como a reta de carga é usada para determinar o ponto de operação de diodo? • 6) Descreva os modelos do diodo para grandes sinais. • 7) O que é a característica de transferência de um circuito? • 8) Explique o retifícador de meia onda e a função do capacitor paralelo à carga? O que é o ângulo de condução? • 9) Descreva a operação de limitadores e fixadores implementados com díodos. • 10) Descreva o modelo do diodo para pequenos sinais 5.9) Efeitos capacitivos em cristais PN • xxx 5.9.1) Capacitância de difusão ou de armazenamento • xxx 5.9.2) Capacitância de transição • xxx 5.10) Tempos de comutação do diodo de junção • xxx 5.10.1) Tempo de recuperação reversa • xxx 5.10.2) Tempo de recuperação direta • xxx Questões • 1) O que é a região de depleção? Como ela é formada? • 2) Explique a polarização direta e reversa (regiões de condução e corte) de uma junção PN. • 3) O que é o diodo de junção? Qual a sua principal característica? • 4) Explique a característica de funcionamento de comutador de um diodo ideal. • 5) Como a reta de carga é usada para determinar o ponto de operação de diodo? • 6) Descreva os modelos do diodo para grandes sinais. • 7) O que é a característica de transferência de um circuito? • 8) Explique o retifícador de meia onda e a função do capacitor paralelo à carga? O que é o ângulo de condução? • 9) Descreva a operação de limitadores e fixadores implementados com díodos. • 10) Descreva o modelo do diodo para pequenos sinais • 11) Explique as capacitâncias de difusão e transição de um diodo de junção. • 12) Com o aumento da polarização reversa, o que acontece com a capacitância de transição? • 13) Explique o significado físico de tempo de armazenagem e tempo de transição. 5.11) O diodo zener • xxx 5.11.1) O regulador de tensão com zener • xxx 5.12) Componentes optoeletrônicos • xxx 5.12.1) Diodo emissor de luz • xxx 5.12.2) Fotodiodo e célula fotovoltáica • xxx 5.12.3) Optoacoplador • xxx 5.13) Outros diodos de finalidade específica • xxx 5.13.1) Diodo de barreira Schottky • xxx 5.13.2) Varistor • xxx 5.13.3) Diodos de retaguarda • xxx 5.13.4) Diodo Túnel • xxx Questões • 14) Explique os modelos e a função regulação do diodo Zener. Como ocorre a ruptura de um de um diodo no corte? • 15) Comente sobre o diodo LED e o fotodiodo. Oque é um optoacoplador? • 16) Cite as principais características de um diodo Schottky. O que são varistores e o diodo túnel?
Compartilhar