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FEPI – Centro Universitário de

Itajubá

Eletrônica Básica

Prof. Evaldo Renó Faria Cintra

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Diodo Semicondutor

• Polarização Direta e Reversa

• Curva Característica

• Níveis de Resistência e Modelos

• Efeitos Capacitivos

• Folhas de Dados, Exemplos e Apêndice

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Diodos

Semicondutores

Aspectos

Construtivos

4

Diodo Semicondutor – Aspecto Construtivo

• Junção PN acrescida de duas regiões (N+ e P+).

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Polarização

Direta e Reversa

6

Polarização Direta e Reversa

• Levantamento de suas propriedades elétricas

através das curvas características;

• Para o diodo ID = f(VD);

• Tirar o dispositivo da condição de equilíbrio através

da polarização;

• Polarização Direta Cristal P recebe um

potencial mais positivo que o cristal N;

• Polarização Reversa Cristal N recebe um

potencial mais positivo que o cristal P.

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Cristal P N+P+ Cristal N

WD

WD < W

O

VD

+ -

EEXT

Anodo Catodo

ID

ID

Polarização Direta

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Conseqüências

• EEXT acelera portadores majoritários em direção

à região de depleção;

• Desionização e conseqüente 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);

• Anodo para onde caminham os elétrons;

• Catodo para onde caminham as lacunas.

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Observações

• Diodo polarizado diretamente apresenta uma

baixa resistência (RCONTATOS + RCORPO);

• Em uma primeira aproximação pode ser

considerado uma chave fechada;

• Prever resistor limitador de corrente externo;

• O valor de 0,7V (VT tensão de joelho, tensão de

disparo, tensão de limiar, etc) depende da

temperatura. Varia aproximadamente -2mV por

grau Celsius;

• Diodos de Sinal (baixa potência) e Retificadores

(alta potência).

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Observações

• Não é necessário contabilizar os portadores

minoritários na corrente direta;

• O símbolo do diodo representa uma seta que

indica o fluxo de corrente convencional quando

polarizado diretamente.

+ -

VD

ID

Anodo Catodo

Simbologia (Invólucro)

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Polarização Reversa

Cristal P N+P+ Cristal N

WR

WR > W

O

VR

+-

EEXT

Anodo Catodo

IR = I

S

IR = I

S

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Conseqüências

• EEXT acelera portadores majoritários em direção

oposta à região de depleção;

• Ionização e conseqüente 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 100C;

• Em uma primeira aproximação o diodo é uma

chave aberta.

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- +

VR

IS

Anodo Catodo

Observações

• Para diodos de sinal IS na faixa de nA. Diodos

Retificadores podem ter IS na faixa de mA;

• Deve-se observar a tensão reversa sobre o diodo

para evitar a sua ruptura.

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Ruptura

• Atingida a tensão de ruptura (PIV, VRRM, BV), o

diodo passa a conduzir uma grande corrente

reversa;

• Dois mecanismos de ruptura: Multiplicação por

Avalanche e Efeito Zener;

• Multiplicação por Avalanche Geração de pares

elétron-lacuna choque entre elétrons com alta

energia cinética e a estrutura cristalina;

• Efeito Zener Campo elétrico de alta

intensidade gera pares elétrons lacuna;

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Ruptura

• Os mecanismos de ruptura coexistem (podendo

haver o predomínio de um deles) e dependem da

temperatura e da dopagem dos cristais;

• BV apresenta um coeficiente térmico que

depende do tipo de mecanismo de ruptura

predominante;

• Diodo especializado para atuar na região de

ruptura Diodo Zener;

• BV pode ser tão pequena quanto algumas

unidades de Volt ou tão grande quanto centenas de

Volt.

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Alguns Exemplos de Encapsulamentos

17

18

Curva

Característica

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Curva Característica

VT

IS

BV

ID

VD

IDmax

Polarização Direta

Diodo "ON"

Polarização Reversa

Diodo "OFF"

IS

VR

+-

ID

VD

+ -

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Equação de Shockley

tTt

t

v

V

SD

Uv

C25@[mV]25q

T.Kv

1e.II t

D

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 IxV.

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)

21

Níveis de

Resistência

22

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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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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Resistência Estática

A resistência DC é a

relação direta entre os

valores DC de tensão e

corrente no diodo. 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.

ID

VD

IDQ

VDQ

Q

Ponto de

Operação

DQ

DQ

DI

VR

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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.

ID

Q

Reta

Tangente

VD

DQ

d

QD

D

D

Dd

I

25[mV]r

dI

dV

I

Vr

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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:

Bdd rrr'

rB representa as contribuições adicionais e pode

variar de 0,1 a 2 ohm dependendo do tipo de

dispositivo. Diodos de sinal, maior rB e diodos de

potência, menor rB.

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Resistência Dinâmica Média

Se o sinal variante no tempo

provocar deslocamentos

muito grandes no entorno

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.

ID

VD

ID

VD

pontoapontoD

DAV

I

Vr

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Modelos

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Circuitos Equivalentes (Modelos) do Diodo

Circuitos equivalentes são 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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Modelo Ideal

VD = 0

ID

+ -

IR = 0

ID

VD

VR

+-

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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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 .

VD = V

T

ID

+ -

IR = 0

ID

VD

VR

+-

VT

VT

+ -

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Modelo Linear por Partes

VD = V

T + I

D.r

AV

ID

+ -

IR = 0

ID

VD

VR

+-

VT

VT

+ - rAV

Incorpora o valor da resistência dinâmica média. Chamado de terceira aproximação .

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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

34

Efeitos

Capacitivos

35

Efeitos Capacitivos

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) enquanto que na polarização direta

predomina a Capacitância de Difusão (CD).

Em altas freqüências, podem ser introduzidos

“curtos-circuitos” através de baixos valores de

reatâncias capacitivas (XC)

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Capacitância de Junção

Na polarização reversa tem-se um material

isolante (região de depleção) entre duas regiões

com cargas acumuladas.

Pode ser modelado por um capacitor de placas

paralelas. A distância entre as placas ( largura da

região de depleção) varia com o nível de tensão

reverso aplicado e, conseqüentemente, a

capacitância.

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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Capacitância de Difusão

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.

38

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 da

polarização direta para a polarização reversa) é o

maior dos dois e representa o tempo de

recuperação dominante.

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20ns

-10

-5

0

5

1010ns 30ns

Vin(t) [V]

t

RL

1[K ]

D1

D1N4148

Vin(t)

Circuito Simples para a Verificar o

Chaveamento de um Diodo de Sinal

Comando p/

Desligar D1

Comando p/

Ligar D1

40

-15m

-10m

-5m

5m

10m

15m

10ns 20ns

30ns

20m

ID [A]

t

trr

10ns

20ns

30ns

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

t

VD [V]

Corrente e Tensão no Diodo

41

Potência

Dissipada

42

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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VT

ID

VD

IDmax

ID

x VD = cte

Esta constante é PDMAX

Q

O ponto quiescente (Ponto Q) deverá ficar abaixo

da hipérbole de potência para garantir uma

operação segura do dispositivo (SOA – Safe

Operating Area).

44

Folhas de Dados

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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, etc que

auxiliam o desenvolvimento de um projeto.

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Exemplo de Folha de Dados – Diodo 1N4148

Informações Gerais, Aplicações, Descrição do Dispositivo, etc

47

Valores Máximos Absolutos

(Valores Limites)

48 Características Elétricas

49

Curvas Características

50

Circuitos de Teste

51

Informações Mecânicas

52

Exemplos

53

Alguns Exemplos de Retificadores

54

Alguns Exemplos de Diodos de Sinal