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MATERIAIS E DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES Junção P-N: Diodos A Junção PN OBS: A dopagem das duas regiões é a mesma, isto é, ND=NA A junção PN é o elemento básico na construção de quase todos os dispositivos da eletrônica tais como diodos, transistores, células solares, LEDs e circuitos eletrônicos. Difusão A diferença de concentração de portadores entre dois pontos provoca um fluxo de cargas. Esse fenômeno é análogo à difusão de gases e por isso é chamada de corrente de difusão. Quando as duas regiões são colocadas em contato, devido à diferença de concentração aparece uma corrente: de elétrons indo da região N para a P e de lacunas da região P para a N – corrente de difusão Formando a Junção – Corrente de Difusão Junção PN no Equilíbrio •A corrente de difusão provoca o aparecimento da região de carga espacial (r.c.e) que é livre de portadores de carga, existindo somente ions da impureza, negativo do lado P e positivo do lado N. •Associado às cargas fixas dos dois lados da junção aparece uma tensão chamada de barreira de potencial de aproximadamente 0,7V no caso do Si e 0,3V do Ge. No equilíbrio a soma das correntes através da junção é nula: Is + ID=0 A Junção PN em Polarizada Reversamente •Com polarização reversa ( pólo positivo da bateria ligado no lado N e pólo negativo do P) a região de carga espacial aumenta , aumentando a barreira de potencial. • A corrente de difusão (portadores majoritários se anula), só existe a corrente reversa de saturação, Is, de portadores minoritarios. •Se a dopagem é a mesma dos dois lados a largura da r.c.e será a mesma dos dois lados da junção. A corrente externa vale: I=Is (nA para Si e uA para Ge) A Junção PN Polarizada Diretamente •Com polarização direta ( pólo positivo da bateria ligado no lado P e pólo negativo do N) a região de carga espacial diminui , diminuindo a barreira de potencial se a tensão aplicada externa for maior que 0,6V (Si) e 0,3V(Ge). •A corrente de difusão (ID) de portadores majoritários aumenta. •A corrente externa vale: I=ID – IS=ID O Diodo de Junção O diodo de junção é essencialmente uma junção PN na qual foram adicionados os terminais e feito um encapsulamento adequado 1) Temp η.V V .(e S If(v)i Equação Característica η (eta) é uma constante que pode variar entre 1 e 2 dependendo de aspectos construtivos do diodo q Tk VTemp . VTemp depende da temperatura cujo valor é calculado por k = constante de Boltzmann=1,38.10-23J/oK T( oK)=273+ T(oC) q = valor da carga do elétron=1,6.10-19C Para a temperatura de 25oC o valor de VT é de aproximadamente 25mV Is corrente reversa de saturação V = tensão aplicada em volts (V). Curva Característica: Silício Polarização direta: v>0 Polarização reversa: VBK <v<0 Ruptura: v<VBK VBK = tensão de ruptura ou breakdowm • Em polarização direta e para v<0,5V a corrente é desprezível sendo essa tensão chamada de tensão de corte. • Quando a tensão aumenta acima de 0,5V a corrente aumenta exponencialmente sendo a relação i=f(v) dada pela equação característica Polarização Direta Região exponencial Região linear Polarização Reversa Na pratica a corrente reversa varia com a tensão pois é constituída de duas componentes: a corrente reversa de saturação (Is) cujo valor só depende da temperatura e da corrente de fuga superficial que depende da tensão aplicada. 1)T η.V v .(e S If(v)i Para VBK <v<0 e algumas vezes maior do que 25mV a expressão i será aproximadamente igual a -IS. Modelos do Diodo Modelar um dispositivo eletrônico, é usar componentes básicos tais como resistências, fontes de tensão, fontes de corrente e capacitâncias para representá-lo, permitindo desta forma que possamos usar as leis de circuito para estudá-lo. Para cada situação é usado um modelo. No caso do diodo na maioria das vezes o modelo usado é o ideal. Modelo 1 - Diodo Ideal O modelo mais simples do diodo considera-o como sendo uma chave que é controlada pela tensão aplicada no diodo. Se a tensão é positiva a chave fecha, se é negativa a chave abre. O diodo se comporta de forma ideal O erro é da ordem de 3%. Modelo 1 - Diodo Ideal Quando o modelo não pode ser usado A diferença entre os valores é da ordem de 20%, Modelo 2 – Bateria Neste caso o diodo quando em condução será considerado uma bateria de 0,6V ou 0,7V O erro praticamente eliminado. Modelo 3 - Bateria e Resistência O modelo representativo do diodo em condução pode ser melhorado considerando a resistência do corpo do diodo (RD), O erro pode ser diminuído considerando um valor adequado de resistência direta (RD). O Ponto Quiescente (Q) O ponto quiescente (Q) ou ponto de operação de um circuito corresponde aos valores de tensões e correntes continuas desse circuito Qual o valor da corrente no circuito? Qual modelo usar? Usando o modelo ideal mA K I 12 1 12 Usando o modelo com bateria mA3,11 K1 7,012 I Reta de Carga – Resolução Gráfica Para a analise gráfica é necessário dispor da curva característica e desenhar no mesmo gráfico a reta de carga do circuito. A intersecção entre a reta de carga e a curva é a solução. Equação: Vcc= RL.I + UD equação de reta 1o Ponto: se UD=0 então L CC R V I que representa um ponto no eixo das correntes. 2o Ponto: se I=0 na equação acima então U=VCC que representa um ponto no eixo das tensões i vD L CC R V I CCV QI QV Q Resolução Gráfica Exercícios 1a) 1b) 1. Determinar o valor da corrente no diodo em cada caso; Usar modelo ideal, modelo de baterias e o modelo de baterias e resistência.
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