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Eletrônica Analógica I ELT009 DIODO DE JUNÇÃO Aula 3 2 ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção Diodo Semicondutor Foram mostrados os materiais dos tipos N e P Diodo Formado pela simples união desses materiais (construídos a partir da mesma base – Si ou Ge) Criando a famosa Junção PN ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 3 Representação esquemática de um diodo semicondutor Nomenclatura Lado P → Anodo Lado N → Catodo O símbolo do diodo se parece com uma seta Aponta do lado P para o lado N (do anodo para o catodo) A seta lembra que a corrente convencional circula facilmente do lado P para o lado N ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 4 Anodo Catodo Efeitos na Junção PN Contato direto entre um cristal N e um cristal P. Formação da Região de Depleção Quando os materiais são ‘unidos’, os elétrons e as lacunas da região de junção se combinam, resultando na ausência de portadores livres na região próxima à junção ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 5 Região de Depleção Ao cruzarem a junção, os portadores majoritários deixam atrás íons Positivos no cristal N; e Negativos no cristal P. Cada par de íons representa um dipolo elétrico; O campo elétrico associado aos dipolos contraria a difusão dos portadores majoritários. ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 6 A região próxima a junção fica vazia de portadores majoritários. Essa região vazia é chamada de camada de depleção Cristal P Cristal N Lacunas Elétrons E [V/m] + + + + - - - - W Região de Depleção Região de Depleção A região de depleção atua como uma barreira à difusão de elétrons; Se um elétron tiver energia suficiente ele pode romper a barreira potencial e entrar na região P. A barreira de potencial (VT) a 25 oC é de aproximadamente 0,7 V para o diodo de Silício (0,3 para o diodo de Germânio) ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 7 O valor de VT depende do tipo de material semicondutor, dos níveis de dopagem e da temperatura. O valor de VT tem um coeficiente térmico negativo -2 [mV/oC] para o Si Cristal P Cristal N Lacunas Elétrons E [V/m] + + + + - - - - W Junção PN Exercício Qual é a barreira de potencial de um diodo de silício quando a temperatura da junção for de 100oC? ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 8 Se a temperatura na junção aumentar para 100oC, a barreira diminui de (100 – 25)·2mV = 150 mV = 0,15 V e a barreira de potencial passa a ser VT = 0,7 V – 0,15 V = 0,55 V POLARIZAÇÕES DA JUNÇÃO PN ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 9 Polarizações da Junção PN Por ser um dispositivo de dois terminais permite três possibilidades de polarização: Sem polarização (VD = 0V) Polarização reversa (VD < 0V) Polarização direta (VD > 0V) ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 10 VD SEM POLARIZAÇÃO ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 11 Sem Polarização (VD = 0V) Na ausência de uma tensão de polarização, o fluxo de carga em qualquer sentido em um diodo é zero Por exemplo, para que um portador majoritário do cristal tipo N (elétrons) possam migrar para se combinar com as lacunas do cristal P ele deve superar duas forças: Atração dos íons positivos no material do tipo N Repulsão dos íons negativos no material tipo P ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 12 Sem Polarização (VD = 0V) Resumindo, para VD = 0V Corrente em qualquer direção é zero ID = 0mA ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 13 POLARIZAÇÃO REVERSA ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 14 Polarização Reversa (VD < 0V) Quando: Terminal positivo está conectado ao material tipo N Terminal negativo está conectado ao material tipo P Os portadores majoritários são atraídos nos sentidos dos terminais (para longe da junção) aumentando assim a camada de depleção e dificultando ainda mais a passagens de elétrons na junção A camada de depleção irá aumentar até que sua diferença de potencial se iguale à tensão reversa aplicada ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 15 Polarização Reversa (VD < 0V) Existe um número de portadores minoritários que penetram na região de depleção Eles geram uma pequena corrente Esta corrente existente sob condições de polarização reversa é chamada de corrente de saturação reversa e é representada por IS [μA] Saturação porque ela alcança seu valor máximo rapidamente ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 16 Resumo da polarização reversa EEXT acelera portadores majoritários em direção oposta à região de depleção; Ionização e consequente alargamento da região de depleção; Favorecimento de circulação de uma corrente reversa (corrente de deriva, de pequeno valor) constituída de portadores minoritários; Corrente de Saturação Reversa (IS) depende da temperatura. Dobra a cada aumento de 10oC; Polarização Reversa Chave aberta ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 17 Cristal P N+P+ Cristal N W R W R > W O V R +- E EXT Anodo Catodo I R = I S I R = I S POLARIZAÇÃO DIRETA ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 18 Polarização Direta (VD > 0V) Quando: Terminal positivo está conectado ao material tipo P Terminal negativo está conectado ao material tipo N Potencial direto “força”: Elétrons do material do tipo N a se recombinarem com as lacunas no material tipo P; Lacunas do material do tipo P a se recombinarem com os elétrons no material tipo N; Reduz a largura da região de depleção ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 19 Lembre-se que o sentido convencional da corrente é contrário ao movimento dos elétrons!!! Polarização Direta (VD > 0V) O fluxo de portadores minoritários não muda de intensidade Condução é controlada pelo número limitado de impurezas no material Porém, o fluxo de portadores majoritários aumenta intensamente através da junção ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 20 Polarização Direta (VD > 0V) Conforme VD aumenta a região de depleção diminui em largura e ID (corrente direta) aumenta exponencialmente Onde: ID → corrente direta IS →corrente de saturação reversa k → constante: 11600/η η = 1 para Ge η = 2 para Si Ou η = 1 para ambos em correntes muito altas Tk → TC + 273 o ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 21 1e.II DV. SD kT k Equação de Shockley Resumo da polarização direta EEXT acelera portadores majoritários em direção à região de depleção; Desionização e consequente diminuição da região de depleção até sua extinção; Favorecimento de circulação de uma corrente direta (corrente de difusão) constituída de portadores majoritários; Potencial necessário para desionizar a região de depleção será de 0,7V para o silício (0,3V Ge); Polarização Direta Anodo → para onde caminham os elétrons; Catodo → para onde caminham as lacunas Chave fechada ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 22 Cristal P N+P+ Cristal N W D W D < W O V D + - E EXT Anodo Catodo I D I D A FAMOSA CURVA DO DIODO ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 23 Equação Expandindo a equação temos: 1. VD 2. ID aumenta exponencialmente, de acordo com o primeiro termo da equação de modo que IS pode ser desconsiderada 3. ID diminui de forma que o segundo termo da equação, IS, será o valor final de ID ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 24 1e.II DV. SD kT k S V. SD Ie.II D kT k Perguntas: 1. Qual o termo variável mais importante na equação? 2. O que acontece quando este termo é positivo e aumenta? 3. O que acontece quando este termo é negativo e diminui? Graficamente Lembrando Sem polarização (VD = 0) Polarização Reversa (VD < 0) Polarização Direta (VD > 0) ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 25 S V. SD Ie.II D kT k v v v Graficamente Lembrando Sem polarização (VD = 0) Polarização Reversa (VD < 0) Polarização Direta (VD > 0) ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 26 S V. SD Ie.II D kT k v v v Graficamente Lembrando Sem polarização (VD = 0) Polarização Reversa (VD < 0) Polarização Direta (VD > 0) ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 27 S V. SD Ie.II D kT k v v v Graficamente Lembrando Sem polarização (VD = 0) Polarização Reversa (VD < 0) Polarização Direta (VD > 0) ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 28 S V. SD Ie.II D kT k v v v Graficamente Lembrando Sem polarização (VD = 0) Polarização Reversa (VD < 0) Polarização Direta (VD > 0) ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 29 S V. SD Ie.II D kT k v Graficamente Lembrando Sem polarização (VD = 0) Polarização Reversa (VD < 0) Polarização Direta (VD > 0) ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 30 S V. SD Ie.II D kT k v Graficamente Lembrando Sem polarização (VD = 0) Polarização Reversa (VD < 0) Polarização Direta (VD > 0) ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 31 S V. SD Ie.II D kT k Até vencer a Barreira de Potencial (VT) da região de depleção! Para o Silício VT 0,7 [V] @ 25oC. Graficamente Lembrando Sem polarização (VD = 0) Polarização Reversa (VD < 0) Polarização Direta (VD > 0) ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 32 S V. SD Ie.II D kT k Graficamente Lembrando Sem polarização (VD = 0) Polarização Reversa (VD < 0) Polarização Direta (VD > 0) ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 33 S V. SD Ie.II D kT k Graficamente Lembrando Sem polarização (VD = 0) Polarização Reversa (VD < 0) Polarização Direta (VD > 0) ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 34 S V. SD Ie.II D kT k Graficamente Lembrando Sem polarização (VD = 0) Polarização Reversa (VD < 0) Polarização Direta (VD > 0) Observe as escalas Concluindo ID = f(VD); ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 35 S V. SD Ie.II D kT k REGIÃO ZENER ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 36 Região Zener Uma tensão reversa muito alta pode produzir um efeito de avalanche ou Zener Há um ponto em que a aplicação de uma tensão suficientemente negativa resulta em uma mudança brusca na curva característica A corrente aumenta a uma taxa muito rápida no sentido oposto ao da região de tensão positiva Alta corrente de avalanche → Ruptura por avalanche ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 37 Região Zener Aumentando-se a dopagem das regiões P e N a tensão de ruptura diminui em módulo: Diodo especial → Diodo Zener (*aula futura) O potencial máximo de polarização reversa que pode ser aplicado antes que a junção PN entre na região Zener (ruptura) é chamado de tensão de pico inversa ou tensão de pico reversa Sigla PIV – peak inverse voltage PRV - peak reverse voltage ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 38 Silício Vs. Germânio ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 39 EFEITOS DA TEMPERATURA ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 40 Efeitos da Temperatura Corrente de saturação reversa dobra a cada 10oC 100oC → IS = 0,1 mA Com esse nível de corrente, já se pode contestar a condição de não condução na polarização reversa. Contudo, no que se refere à condução Quanto maior a temperatura, mais próximo do diodo ideal Mas ainda devemos considerar potencia máxima ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 41 Efeitos da Temperatura Uma temperatura muito alta pode acelerar o processo de ruptura Ruptura pode ocorrer em duas condições Tensão reversa muito alta (Zener) Temperatura muito alta (Corrente de deriva aumenta) As condições pode coexistir ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 42 Diodo Ideal Chave fechada → Polarização Direta Chave aberta → PolarizaçãoReversa ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 43 EXERCÍCIOS RESOLVIDOS ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 44 Exercício 1 Um diodo de silício tem uma corrente de saturação de 10 nA na temperatura de 25oC. Se ele opera numa faixa de temperatura de 0oC a 75oC, quais são os valores máximo e mínimo da corrente de saturação? ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 45 Exercício 1 Um diodo de silício tem uma corrente de saturação de 10 nA na temperatura de 25oC. Se ele opera numa faixa de temperatura de 0oC a 75oC, quais são os valores máximo e mínimo da corrente de saturação? ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 46 IS = 10 nA @ 25 oC e que cada 10oC IS dobra Exercício 1 Um diodo de silício tem uma corrente de saturação de 10 nA na temperatura de 25oC. Se ele opera numa faixa de temperatura de 0oC a 75oC, quais são os valores máximo e mínimo da corrente de saturação? ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 47 IS = 10 nA @ 25 oC e que cada 10oC IS dobra, logo: IS = 20 nA @ 35 oC IS = 40 nA @ 45 oC IS = 80 nA @ 55 oC IS = 160 nA @ 65 oC IS = 320 nA @ 75 oC = 0,32µA IS = 10 nA @ 25 oC e que cada 10oC IS dobra, logo: IS = 5 nA @ 15 oC IS = 2,5 nA @ 5 oC IS = 1,875 nA @ 0 oC Pode-se efetuar os cálculos considerando também que a corrente de saturação aumenta 7% para cada grau aumentado Exercício 2 Usando a equação de Shockley determine a corrente de diodo a 20oC para um diodo de silício com IS = 50nA e uma polarização direta aplicada de 0,6V. ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 48 ID = 7,2mA Exercício 3 Usando a equação de Shockley determine a corrente de diodo a 100oC para um diodo de silício com IS = 5µA e uma polarização direta aplicada de 0,6V. ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 49 ID = 56,3 mA Exercício 4 Suponha V = 5V e que a tensão através do diodo seja 5V. O diodo está aberto ou em curto? ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 50 EXERCÍCIOS PROPOSTOS ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 51 Exercícios Propostos Aula3-Exercício01: (a) Usando a equação de Shockley determine a corrente no diodo a 20oC para um diodo de silício com IS = 0,1µA em um potencial de polarização reversa de -10V. (b) O resultado é o esperado? Por quê? Aula3-Exercício02: (a) Usando a equação de Shockley determine a corrente de diodo a 20oC para um diodo de silício com IS = 50nA e uma polarização direta aplicada de 1V. (b) O resultado é o esperado? Por quê? ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 3 - Diodo de Junção 52