2_diodos_de_junção

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Diodo de Junção
(Junção PN)
Leonardo B. Zoccal
(lbzoccal@unifei.edu.br)
ELT055 – Eletrônica Analógica I - *
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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)
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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
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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
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Junção PN
Polarização Reversa (VD < 0V)
 A camada de depleção irá aumentar até que sua diferença de potencial se iguale à tensão reversa aplicada
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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
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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
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Junção PN
Polarização Reversa (VD < 0V)
Suponha que a energia térmica tenha gerado um elétron livre e uma lacuna próximos da junção
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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
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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
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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;
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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.
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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
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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
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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
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Junção PN
Polarização Direta (VD > 0V)
A redução da região de depleção resulta em um fluxo intenso de portadores majoritários através da junção
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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
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Junção PN
Polarização Direta (VD > 0V)
Conforme VD aumenta a região de depleção diminui em largura e ID aumenta exponencialmente
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Junção PN
Polarização Direta (VD > 0V)
O elétron após ter deixado o terminal negativo da fonte entra pela extrema direita do cristal
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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
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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
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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
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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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