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Teoria do Diodo
Partes 1 e 2
Leonardo B. Zoccal
(lbzoccal@unifei.edu.br)
ELT055 – Eletrônica Analógica I - *
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
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Diodo Semicondutor
 Junção PN acrescida de duas regiões (N+ e P+) para fazer um contato ôhmico (segue a lei de Ohm: V = R·I) com os terminais; N+ e P+ são dopagens muito elevadas.
 Contato ôhmico  baixo valor de resistência.
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Diodo Semicondutor
Polarização Direta e Reversa
 Levantamento de suas propriedades elétricas através das curvas características;
 Tirar o dispositivo da condição de equilíbrio através da polarização;
 Diodo polarizado diretamente apresenta uma baixa resistência (RCONTATOS + RCORPO);
 Prever resistor limitador de corrente externo;
 Diodos de Sinal (baixa potência) e Retificadores (alta potência).
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Diodo Semicondutor
Observação
 Não é necessário contabilizar os portadores minoritários na corrente direta;
Simbologia (Invólucro)
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Diodo Semicondutor
Alguns Exemplos de Encapsulamentos
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Diodo Semicondutor
Alguns Exemplos de Encapsulamentos
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Diodo Semicondutor
Curva Característica
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Diodo Semicondutor
A equação de Shockley é deduzida a partir de conceitos da Física do Estado Sólido. É válida para o diodo operando fora da região de ruptura e para níveis de corrente não tão elevados (fora da região de alta injeção). Idealiza a relação I x V.
Atenção:
vt é a tensão equivalente de temperatura. Não confundir com a tensão de joelho VT ( 0,7V p/ o diodo de Si e 0,3V p/ o de Ge)
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Diodo Semicondutor
η tem um valor entre 1 e 2, dependendo do material e da estrutura física do diodo. Em geral, será assumido η = 1, a menos que o contrário seja especificado.
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Diodo Semicondutor
Níveis de Resistência
Apesar de se tratar de um componente altamente não linear, o diodo semicondutor pode ter partes de sua curva característica linearizadas. Em outras palavras significa tornar uma porção desta curva expressa pela lei de Ohm.
Este procedimento acarreta na definição de alguns níveis de resistência (na polarização direta), a saber:
 Resistência Estática (Resistência DC - RD);
 Resistência Dinâmica Incremental (Resistência AC Incremental - rd);
 Resistência Dinâmica Média (Resistência AC Média - rAV).
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Diodo Semicondutor
Níveis de Resistência
Para efeito de modelamento (linearização de partes da curva característica), será considerado que o diodo na condição de polarização reversa (antes da ruptura) é uma resistência de altíssimo valor. 
Na prática isto significa que este valor é muito maior (pelo menos 10 vezes) que o maior resistor presente no circuito.
Normalmente, esta condição é simbolizada pelo seu comportamento idealizado que é uma chave aberta.
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Diodo Semicondutor
A resistência DC é a relação direta entre os valores DC de tensão e corrente no diodo 
Resistência Estática
Será maior para regiões próximas ou abaixo do joelho da curva e apresentará um elevado valor na polarização reversa (antes da ruptura). A resistência DC não depende do formato da curva característica
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Diodo Semicondutor
Resistência Dinâmica Incremental
A resistência AC Incremental prevê a movimentação do ponto Q pela presença de um sinal variante no tempo superposto aos níveis DC
Desde que estas variações sejam pequenas (operação a pequeno sinal – sinais incrementais), a curva se confunde com a reta tangente no ponto (derivada). Esta resistência depende do formato da curva.
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Diodo Semicondutor
Resistência Dinâmica Incremental
Uma regra é considerar variações máximas de 
+/- 10% do valor quiescente.
Considerando a expressão em série da função ID com essa regra, os termos quadráticos podem ser desprezados.
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Diodo Semicondutor
Resistência Dinâmica Incremental
A derivada de uma função em um ponto é igual a inclinação da reta tangente traçada nesse ponto
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Diodo Semicondutor
Resistência Dinâmica Incremental
η = 1
η = 2
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Diodo Semicondutor
Resistência Dinâmica Incremental - Observação
Esta resistência foi deduzida a partir da equação de Shockley que modela apenas o comportamento da junção PN. As resistências de corpo dos materiais semicondutores das regiões do Anodo e do Catodo e as resistências dos contatos ôhmicos (idealmente deveriam ser zero) não fazem parte desta formulação. É comum, então, encontrarmos:
rB representa as contribuições adicionais e pode variar de 0,1 a 2 ohms dependendo do tipo de dispositivo. Diodos de sinal, maior rB e diodos de potência, menor rB.
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Diodo Semicondutor
Se o sinal variante no tempo provocar deslocamentos muito grandes ao redor do ponto de operação, é necessário definir uma resistência AC média. Este valor de resistência é calculado tomando-se uma linha reta que une os dois pontos extremos das variações do sinal e fazendo-se a relação entre a tensão e a corrente.
Resistência Dinâmica Média
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Diodo Semicondutor
Circuitos Equivalentes (Modelos) do Diodo
Circuito equivalente é uma combinação de elementos de circuito (resistores, capacitores, fontes de tensão, etc) propriamente escolhidos, para representar, com um certo grau de precisão, as características globais ou em um determinado ponto de operação, um dispositivo ou um sistema
Um sinônimo para circuito equivalente é Modelo e está se tentando deixar o dispositivo (ou sistema) linear
O uso de modelos simplifica a análise de um circuito que contenha componentes altamente não lineares
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Diodo Semicondutor
Modelo Ideal
Idealmente, o diodo é modelado como uma chave fechada (polarização direta) e como uma chave aberta (polarização reversa). Também chamado de primeira aproximação.
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Diodo Semicondutor
Modelo Simplificado
O diodo se torna uma chave fechada depois de vencido o joelho da curva (consegue manipular valores expressivos de corrente). Também chamado de segunda aproximação.
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Diodo Semicondutor
Modelo Linear por Partes
Incorpora o valor da resistência dinâmica média. Chamado de terceira aproximação.
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Diodo Semicondutor
1) Utilize as três aproximações apresentadas para calcular a corrente na carga, a tensão na carga, a potência na carga, a potência no diodo e a potência total na figura abaixo. Um 1N4001 tem uma resistência de corpo de 0,23Ω.
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Diodo Semicondutor
Neste ponto, pode surgir a dúvida sobre qual dos modelos utilizar. Normalmente, o modelo simplificado atende a maioria das análises de circuitos com diodos 
Contudo, sempre que possível, deve-se avaliar os valores das tensões aplicadas e de outras resistências do circuito. Se estas forem muito superiores aos valores de VT e de rAV (pelo menos dez vezes maior) o modelo ideal levará a resultados com um grau de imprecisão de no máximo 10%
Quando as tensões aplicadas e outras resistências forem da mesma ordem de grandeza de VT e rAV torna-se necessário o uso do modelo linear por partes 
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Diodo Semicondutor
2) Que valor deve ter R2 na figura abaixo para que a corrente no diodo seja de 0,25 mA?
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Diodo Semicondutor
Existem dois efeitos capacitivos a serem considerados. Ambos estão presentes nas condições de polarização direta e reversa, entretanto, apenas um deles é dominante, simplificando, assim, a análise.
Na polarização reversa predomina a Capacitância de Junção (CJ)
Na polarização reversa tem-se um material isolante (região de depleção) entre duas regiões com cargas acumuladas.
Efeitos Capacitivos
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Diodo Semicondutor
Existem dois efeitos capacitivos a serem considerados. Ambos estão presentes nas condições de polarização direta e reversa, entretanto, apenas um deles é dominante, simplificando, assim, a análise.
Na polarização reversa predomina a Capacitância de Junção (CJ)
Efeitos Capacitivos
Um diodo especializado, chamado Varicap, muito utilizado em circuitos de sintonia, está otimizado para atuar como um capacitor
variável com base neste fenômeno.
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Diodo Semicondutor
Capacitância de Difusão
Na polarização direta predomina a Capacitância de Difusão (CD).
Quando os portadores se difundem através da junção, eles levam um determinado tempo para se recombinarem.
Até que a maioria dos portadores se recombine, eles ficam “armazenados” o que equivale a modelar este comportamento como um capacitor.
Quanto maior a corrente direta, maior o armazenamento de cargas, maior efeito capacitivo.
 Pelo fato de estar relacionada à difusão de portadores, esta capacitância recebeu o nome de capacitância de difusão.
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Diodo Semicondutor
Capacitância de Junção e Difusão versus polarização aplicada em um diodo de Si
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Diodo Semicondutor
Tempos de recuperação
Ao se aplicar um sinal de freqüência muito elevada (uma onda quadrada por exemplo), os efeitos capacitivos impedirão que o dispositivo responda instantaneamente. Existirão os chamados tempos de recuperação direto (trd) e reverso (trr)
O tempo de recuperação reverso (passar da polarização direta para a polarização reversa) é o maior dos dois e representa o tempo de recuperação dominante (devido a capacitância de difusão)
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Diodo Semicondutor
Tempos de recuperação
Circuito Simples para a Verificar o Chaveamento de um Diodo de Sinal
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Diodo Semicondutor
Tempos de recuperação
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Diodo Semicondutor
Tempos de recuperação
trr = ts + tt
trr: tempo de recuperação reversa
ts: tempo de armazenamento
tt: tempo de transição
Devido ao grande número de portadores minoritários em cada material, a corrente no diodo será simplesmente invertida permanecendo nesse nível pelo tempo ts, necessário para os portadores minoritários voltarem ao seu estado de portadores majoritários no material oposto.
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Diodo Semicondutor
Tempos de recuperação
trr = ts + tt
trr: tempo de recuperação reversa
ts: tempo de armazenamento
tt: tempo de transição
Quando a fase de armazenamento tiver passado, a corrente será reduzida ao nível associado ao estado de não-condução. Esse segundo período de tempo é denotado pelo intervalo de transição (tt).
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Diodo Semicondutor
Tempos de recuperação
Para diodos de sinal o valor do tempo de recuperação reversa está na casa de unidades a dezenas de nS.
Diodos retificadores já apresentam um tempo de recuperação reversa da ordem de unidades a dezenas de mS.
Existem diodos especializados, construídos com uma junção metal-semicondutor (diodo Schottky), que apresentam um tempo de recuperação reversa de picosegundos. Estes diodos podem operar, então, em freqüências muitas elevadas (centenas de MHz).
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Diodo Semicondutor
3) Esboce a forma de onda para a corrente i do circuito da figura abaixo se tt=2ts, sendo o tempo de recuperação reversa total de 9ns.
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Parte 2
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Diodo Semicondutor
Dissipação de Calor – Hipérbole de Potência
O diodo dissipa potência na polarização direta proporcionalmente ao produto ID x VD. Este valor é uma constante e depende, basicamente, do volume de silício empregado e do encapsulamento. O produto define, no plano ID = f(VD), o que se chama de Hipérbole de Potência
A princípio, podemos classificar os diodos em dois grandes grupos:
Diodos de Sinal – Trabalham em baixa potência (tipicamente abaixo de 1 W) e são mais rápidos;
Diodos Retificadores – Maior potência e mais lentos (freqüência industrial – 60 Hz).
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Diodo Semicondutor
Dissipação de Calor – Hipérbole de Potência
O ponto quiescente (Ponto Q) deverá ficar abaixo da hipérbole de potência para garantir uma operação segura do dispositivo (SOA – Safe Operating Area).
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Diodo Semicondutor
Folhas de Dados
Basicamente, dois tipos de informação
Absolute Maximum Ratings (Limiting Values) (Valores Máximos Absolutos ou Valores Limites): Valores que, se excedidos, provocam a destruição do dispositivo ou a degeneração de seu comportamento elétrico, diminuindo, assim, a confiabilidade e a vida útil do dispositivo
Electrical Characteristics (Características Elétricas): Tabelas com Valores Típicos e suas dispersões, Curvas, Circuitos Típicos, que auxiliam o desenvolvimento de um projeto
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Diodo Semicondutor
Folhas de Dados
Alguns Dados Importantes para Diodos
Máxima Corrente Direta @ Temperatura Específica
Máxima Tensão Direta @ Temperatura Específica
Máxima Dissipação de Potência @ Temperatura Específica
Faixa de Temperatura de Operação
Níveis de Capacitância
Tempo de recuperação Reverso
Tensão Direta Típica @ Nível de Corrente e Temperatura Específicos
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Diodo Semicondutor
Exemplo de Folha de Dados – Diodo 1N4148
Informações Gerais, Aplicações, Descrição do Dispositivo, etc
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Diodo Semicondutor
Exemplo de Folha de Dados – Diodo 1N4148
Valores Máximos Absolutos (Valores Limites)
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Diodo Semicondutor
Exemplo de Folha de Dados – Diodo 1N4148
Características Elétricas
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Diodo Semicondutor
Exemplo de Folha de Dados – Diodo 1N4148
Curvas Características
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Diodo Semicondutor
Exemplo de Folha de Dados – Diodo 1N4148
Circuito Teste
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Diodo Semicondutor
Exemplo de Folha de Dados – Diodo 1N4148
Informações Mecânicas
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Diodo Semicondutor
Avaliando um Diodo com Multímetro Digital
Os multímetros digitais apresentam, dentro de sua seção ohmímetro, uma função especial (normalmente identificada pelo símbolo de um diodo) que permite avaliar a condição de junções PN
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Diodo Semicondutor
Avaliando um Diodo com Multímetro Digital
Nesta função, o multímetro injeta uma corrente constante no diodo sob teste e processa o resultado de forma a dar o valor da barreira de potencial equivalente quando polarizado diretamente. Esta corrente situa-se, tipicamente, na faixa de umas poucas unidades de mA.
Quando polarizado reversamente, a indicação é tal que representa a impossibilidade de circular corrente pelo diodo (lembrar que nesta situação ele é, idealmente, uma chave aberta).
Com base nestas indicações é possível identificar claramente as condições: diodo em bom estado, diodo em curto e diodo aberto.
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Diodo Semicondutor
Avaliando um Diodo com Multímetro Digital
Diodo sob Teste
1N4001 – Retificador
Polarizado Diretamente
Indicação da Barreira:
556 mV
Polarizado Reversamente
Indicação de “infinito”
Não foi possível circular corrente pelo diodo
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Conceito da Linha de Carga
(Reta de Carga)
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Conceito da Linha de Carga (Reta de Carga)
 Para este tipo de análise é preciso ter em mãos a curva característica do dispositivo
 Isto pode ser uma desvantagem pois nem sempre é possível
 Contudo, é importante conhecer esta análise (seu conceito) que é extensivamente usada em circuitos com transistores
 É possível traçar uma linha que representa o comportamento para uma determinada carga sobre as curvas características
 Se a carga é linear, esta linha se torna uma reta. Daí o nome Reta de Carga
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Tem-se a equação de uma reta com coeficiente angular de –1/RL e intersecção com o eixo y em V/RL e em V com o eixo x. O plano ID x VD seria apropriado para plotá-la.
Conceito da Linha de Carga (Reta de Carga)
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Conceito da Linha de Carga (Reta de Carga)
Os pontos de intersecção com os eixos correspondem aos extremos de operação do dispositivo
Ao se traçar a linha de carga existirá um cruzamento com a curva característica do diodo. Este cruzamento define o chamado ponto de operação ou ponto quiescente (representado pela letra Q) e será a solução para o circuito sob análise. Este ponto de operação também poderia ser obtido usando-se a equação de Schockley e a equação resultante da aplicação de KVL. 
Para ID = 0 tem-se a condição de um circuito aberto e p/ VD = 0 tem-se a condição de um curto-circuito
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Análise Através dos Modelos
Circuito Equivalente Ideal
Lembrando que neste modelo o diodo é representado por uma chave fechada (curto circuito).
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Análise Através dos Modelos
Circuito Equivalente Aproximado
O modelo inclui, juntamente com a chave fechada, o valor de barreira a ser vencido representado pela bateria VT.
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Análise Através dos Modelos
Circuito Equivalente Linear por Partes
Acrescida a resistência de corpo e resistências dos contatos. Representadas por rAV.
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Análise Através dos Modelos
Observações
 Utiliza-se a aproximação ideal quando o comportamento do diodo (ou a sua função) no circuito está sendo avaliado. São irrelevantes os níveis de tensão e corrente.
 A aproximação simplificada é a mais utilizada.
 A aproximação linear por partes deverá ser usada, obrigatoriamente, quando as resistências do circuito forem da mesma ordem de grandeza de rAV.
 Na maioria dos casos, as tensões e resistências envolvidas são maiores que VT e muito maiores que rAV o que leva a resultados bastante satisfatórios.
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Análise Através dos Modelos
Observações
 A tensão VT que aparece nos circuitos equivalentes não é uma fonte de tensão independente. Ela modela um efeito que significa o “preço a ser pago” para se ligar um diodo. Um diodo isolado no laboratório não indicará nenhuma leitura se um voltímetro for conectado aos seus terminais.
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Análise Através dos Modelos
Dicas de Análise
 Ao se analisar circuitos com diodos é preciso saber em que região (direta ou reversa) ele está polarizado
 Pode-se substituir o diodo por um resistor e verificar o sentido da corrente convencional resultante. Se este sentido coincide com a seta do símbolo do diodo, está polarizado diretamente. Naturalmente, esta condição será verdade se as tensões aplicadas possuírem valores superiores a VT
 Estando o diodo polarizado diretamente substitua-o pelo modelo mais adequado e calcule as tensões e correntes necessárias
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Análise Através dos Modelos
Dicas de Análise
 Se o sentido de corrente estiver ao contrário da seta do diodo o dispositivo estará polarizado reversamente
 Substitua o diodo por um circuito aberto e calcule as tensões e correntes necessárias
Obs:
Sempre que possível, ter em mãos os valores limites (tensão e corrente) do diodo para avaliar se o dispositivo esta operando fora de seus limites seguros e garantidos
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