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* Diodo de Junção (Junção PN) Leonardo B. Zoccal (lbzoccal@unifei.edu.br) ELT055 – Eletrônica Analógica I - * UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ * * Junção PN Uma das mais importantes estruturas no estudo de dispositivos semicondutores; Consiste de um cristal N e de um cristal P em contato direto. Existe um gradiente de concentração entre os cristais P e N; O gradiente força a difusão de portadores majoritários através da junção. Formação da Região de Depleção * * Junção PN Ao cruzarem a junção, os portadores majoritários deixam 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. No equilíbrio, as correntes de deriva, criadas pelo campo elétrico, cancelam as correntes de difusão, originadas pelos gradientes de concentração * * Junção PN Ao cruzarem a junção, os portadores majoritários deixam 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. A região próxima a junção fica vazia de portadores majoritários. Essa região vazia é chamada de camada de depleção Região de Depleção * * Junção PN A região de depleção atua como uma barreira à difusão; Barreira de Potencial (VT) O cristal N é positivo em relação ao cristal P (ou cristal P é negativo em relação ao N); Para o Silício VT 0,7 [V] @ 25oC. 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 * * Junção PN Qual é a barreira de potencial de um diodo de silício quando a temperatura da junção for de 100oC? 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 * * Junção PN Por ser um dispositivo de dois terminais permite três possibilidades de polarização: Nenhuma polarização (VD = 0V) Polarização reversa (VD < 0V) Polarização direta (VD > 0V) * * Junção PN Na ausência de uma tensão de polarização, o fluxo de carga em qualquer sentido para um diodo semicondutor é zero Sem Polarização (VD = 0V) * * Junção PN Polarização Reversa (VD < 0V) O número de íons positivos na região de depleção do material tipo N aumentará Isso ocorre devido ao grande número de elétrons “livres” arrastados para o potencial positivo da tensão aplicada Do lado P acontece o mesmo com os íons negativos * * Junção PN Polarização Reversa (VD < 0V) O aumento da região de depleção será grande demais para os portadores majoritários superarem Ocorre a redução do fluxo de portadores majoritários a zero * * Junção PN Polarização Reversa (VD < 0V) A camada de depleção irá aumentar até que sua diferença de potencial se iguale à tensão reversa aplicada * * Junção PN Polarização Reversa (VD < 0V) O número de portadores minoritários que penetram na região de depleção não mudará A corrente existente sob condições de polarização reversa é chamada de corrente de saturação reversa e é representada por IS Esta corrente é devido aos portadores minoritários produzidos termicamente * * Junção PN Polarização Reversa (VD < 0V) A corrente de saturação reversa IS praticamente dobra de valor para cada aumento de 10oC na temperatura Para um precisão um pouco melhor, IS aumenta 7% a cada grau Celsius de aumento * * Junção PN Polarização Reversa (VD < 0V) Suponha que a energia térmica tenha gerado um elétron livre e uma lacuna próximos da junção * * Junção PN Polarização Reversa (VD < 0V) A camada de depleção empurra o elétron livre para a direita, forçando um elétron a deixar a extrema direita do cristal A lacuna na camada de depleção é empurrada para a esquerda A lacuna extra no lado p admite a entrada de um elétron pela extrema esquerda do cristal, que cai na lacuna * * Junção PN Polarização Reversa (VD < 0V) Como a energia térmica está sempre gerando pares de elétrons e lacunas dentro da camada de depleção, teremos uma pequena corrente contínua pelo circuito externo * * Junção PN Polarização Reversa (VD < 0V) Uma tensão reversa muito alta pode produzir um efeito de avalanche ou Zener (emissão de alto campo), onde a alta corrente de ruptura destrói o diodo; Conforme a tensão reversa através da junção aumenta, aumenta também a velocidade dos portadores minoritários responsáveis pela corrente IS; * * Junção PN Polarização Reversa (VD < 0V) A velocidade e energia cinética associada serão suficientes para liberar outros portadores através das colisões com estruturas atômicas estáveis; Resultando em um processo de ionização pelo qual elétrons de valência absorvem energia suficiente para deixar o átomo de origem; Portadores adicionais podem ajudar então no processo de ionização até que se estabeleça uma alta corrente de avalanche. * * Junção PN Polarização Reversa (VD < 0V) Aumentando-se a dopagem das regiões P e N a tensão de ruptura diminui em módulo 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 * * Junção PN Polarização Direta (VD > 0V) A junção PN é polarizada diretamente quando é estabelecida a associação do potencial positivo ao material tipo P e do negativo ao material tipo N * * Junção PN Polarização Direta (VD > 0V) O potencial direto “forçará” os elétrons do material do tipo N e as lacunas do material do tipo P a se recombinarem com os íons próximos da fronteira e a reduzirem a largura da região de depleção * * Junção PN Polarização Direta (VD > 0V) A redução da região de depleção resulta em um fluxo intenso de portadores majoritários através da junção * * Junção PN Polarização Direta (VD > 0V) O fluxo de portadores minoritários não muda de intensidade Condução é controlada pelo número limitado de impurezas no material * * Junção PN Polarização Direta (VD > 0V) Conforme VD aumenta a região de depleção diminui em largura e ID aumenta exponencialmente * * Junção PN Polarização Direta (VD > 0V) O elétron após ter deixado o terminal negativo da fonte entra pela extrema direita do cristal * * Junção PN Polarização Direta (VD > 0V) Ele viaja através da região n como um elétron livre Na junção, ele se recombina com uma lacuna e se torna um elétron de valência * * Junção PN Polarização Direta (VD > 0V) Ele viaja através da região p como um elétron de valência Após deixar a extrema esquerda do cristal, ele circula para o terminal positivo da fonte * * Junção PN Representação esquemática de um diodo O lado P é chamado de anodo e o lado N catodo O símbolo do diodo parece-se com uma seta que 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 anodo catodo * * Junção PN O diodo de junção PN se comporta como uma chave que permite a condução de corrente em apenas um sentido Esta é a resposta de uma junção PN ideal *
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