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10/03/2020 Eletrônica de Potência 1
Aula 2: Diodos de Potência
Prof. Allan Fagner Cupertino
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210/03/2020 Prof. Allan Fagner Cupertino
Conteúdo
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310/03/2020 Prof. Allan Fagner Cupertino
Sumário
❑ Diodos: Características básicas;
❑ Tipos de diodos;
❑ Conceitos básicos de semicondutores;
❑ Estrutura interna de diodos de potência;
❑ Relações de compromisso no projeto de diodos;
❑ Exemplo de um datasheet.
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10/03/2020 Prof. Allan Fagner Cupertino 4
Diodos: Características
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5Prof. Allan Fagner Cupertino
Diodo PN: Funcionamento básico
10/03/2020
❑ Como é a distribuição de cargas na junção PN em condição normal, polarização
direta e polarização reversa?
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6Prof. Allan Fagner Cupertino
Modelo Matemático
10/03/2020
❑ Equação de Shockley:
𝐼𝐷 = 𝐼𝑠(𝑒𝑉𝐷𝑛𝑉𝑇 − 1)
Onde:
• 𝐼𝐷 – corrente através do diodo
• 𝐼𝑠 – corrente de fuga ou de saturação reversa 10−6 a 10−15A
• 𝑉𝐷 – tensão no diodo
• 𝑛 – constante empírica, depende do material e da construção do diodo. Varia entre
1,1 a 1,8 para diodos comerciais
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7Prof. Allan Fagner Cupertino
Modelo Matemático
10/03/2020
❑ 𝑉𝑇 - tensão térmica, dada por:
𝑉𝑇 =𝑘𝑇
𝑞
Onde:
• T – temperatura absoluta em Kelvin
• k – constante de Boltzmann: 𝑘 = 1,3806 𝑥 10−23 𝐽/𝐾• 𝑞 é a carga do elétron: 𝑞 = 1,6022 𝑥 10−19 𝐶
Portanto,
❑ Durante a polarização direta: 𝐼𝐷 ≈ 𝐼𝑠 𝑒𝑉𝐷𝑛𝑉𝑇
❑ Durante a polarização reversa: 𝐼𝐷 ≈ −𝐼𝑠
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8Prof. Allan Fagner Cupertino
Curva característica I x V de um diodo
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❑ Queda de tensão durante a polarização direta
❑ Corrente de fuga durante a polarização reversa
❑ Tensão de ruptura
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9Prof. Allan Fagner Cupertino
Recuperação reversa
10/03/2020
❑ Portadores minoritários precisam de um tempo para se recombinar
• Esse tempo é chamado de tempo de recuperação reversa
• Processo não linear, dependente da temperatura
• 𝑡𝑅𝑅 é definido como o tempo em que a corrente passa por zero (condução-
bloqueio) e o momento em que a corrente reversa atinge 25% de 𝐼𝑅𝑅𝑀
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Recuperação reversa
10/03/2020
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Recuperação reversa: Parâmetros importantes
10/03/2020
• Tempo de recuperação total 𝑡𝑅𝑅
𝑡𝑅𝑅 = 𝑡𝑎 + 𝑡𝑏
• O valor do pico da corrente reversa 𝐼𝑅𝑅
𝐼𝑅𝑅 = 𝑡𝑎𝑑𝑖
𝑑𝑡
• A carga armazenada 𝑄𝑅𝑅 , que é a área delimitada pela curva da corrente de recuperação:
𝐼𝑅𝑅 ≈2𝑄𝑅𝑅𝑡𝑟𝑟
• Fator de suavidade do diodo:
𝐹𝑆 =𝑡𝑏𝑡𝑎
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12Prof. Allan Fagner Cupertino
Recuperação reversa
10/03/2020
❑ Mostre que 𝑡𝑟𝑟 ≅2𝑄𝑅𝑅𝑑𝑖
𝑑𝑡
.
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13Prof. Allan Fagner Cupertino
Si versus SIC
10/03/2020
Fonte: 2001, Comparison of Si and SiC diodes during operation in three-phase inverter driving ac induction motor
❑ Por que a performance do diodo SIC é superior?
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10/03/2020 Prof. Allan Fagner Cupertino 14
Tipos de diodos
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15Prof. Allan Fagner Cupertino
Tipos de diodo
10/03/2020
Fonte: https://www.instructables.com/id/Types-of-Diodes/
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16Prof. Allan Fagner Cupertino
Tipos de diodo
10/03/2020
Fonte: https://www.instructables.com/id/Types-of-Diodes/
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17Prof. Allan Fagner Cupertino10/03/2020
Diodo Padrão ou de Uso Geral
❑ Faixa de aplicação até 6.000V – 4500 A
❑ Tempo de recuperação de 25 us
❑ Em máquinas de solda são diodos de junção fundida, por serem mais baratos e
mais robustos
❑ Dispositivo bipolar
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18Prof. Allan Fagner Cupertino10/03/2020
Diodo de recuperação rápida
❑ Faixa de aplicação até 6.000V – 1100 A
❑ Tempo de recuperação de 0,1 a 5us
❑ Acima de 400V feitos por difusão
❑ Abaixo de 400V crescimento epitaxial
❑ Dispositivo bipolar
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19Prof. Allan Fagner Cupertino10/03/2020
Diodo Schottky
❑ Faixa de aplicação até 100V – 300 A;
❑ Queda de tensão de 0,5 a 1,2V;
❑ Tempo de recuperação de nanosegundos;
❑ Armazenamento de carga é reduzido atravésde uma barreira de potencial com um contatoentre um metal e um semicondutor;
❑ Aplicações em fonte de alimentação;
❑ Baixa tensão de condução;
❑ Corrente de fuga maior;
❑ Dispositivo unipolar!
Diodos Schottky duais de 20 e 30 A
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20Prof. Allan Fagner Cupertino10/03/2020
Diodo Schottky de Carbeto de Silício
❑ O carbeto de silício (SiC) é um novo material para a eletrônica de potência.
❑ Suas propriedades físicas superam as do Si e as do GaAs.
❑ Permite construir diodos Schottky de alta tensão. Vantagens:
• baixas perdas de condução;
• não possuem tempo de recuperação reversa;
• a temperatura não influencia na comutação.
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10/03/2020 Prof. Allan Fagner Cupertino 21
Conceitos básicos de semicondutores
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22Prof. Allan Fagner Cupertino
Ionização térmica
10/03/2020
❑ Vibrações térmicas podem ocasionar quebra as ligações covalentes!
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23Prof. Allan Fagner Cupertino
Ionização térmica – Semicondutor Intrínseco
10/03/2020
❑ Densidade de elétrons livres: 𝑛; Densidade de lacunas livres: 𝑝
❑ Num semicondutor intrínseco: 𝑝 = 𝑛 = 𝑛𝑖(𝑇) que é a densidade de portadores
intrínsecos do material. Além disso:
𝑛𝑖 𝑇 ≈ 𝐶 exp −𝑞𝐸𝑔
𝑘𝑇
• 𝑘 = 1.4 × 10−23 𝐽/𝐾• 𝐸𝑔 é a banda de energia (1.1 𝑒𝑉 para o silício)
• 𝑞 = 1.6 × 10−19 𝐶• T é a temperatura
• 𝐶 é uma constante de proporcionalidade
https://www.youtube.com/watch?v=LRJZtuqCoMw
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24Prof. Allan Fagner Cupertino
Corrente Elétrica e Condutividade
10/03/2020
❑ Metais (ouro, platina, prata, cobre):
𝑛𝑖 ≈ 1023 𝑐𝑚−3 e 𝜎 < 107𝑐𝑚
Ω
❑ Isolantes (dióxido de silício, nitreto de silício, óxido de alumínio):
𝑛𝑖 < 103 𝑐𝑚−3 e 𝜎 < 10−10𝑐𝑚
Ω
❑ Semicondutores (silício, arseneto de gálio, diamante, etc):
108 < 𝑛𝑖 < 1019 𝑐𝑚−3 e 10−10 < 𝜎 < 104𝑐𝑚
Ω
Os módulos de potência modernos são constituídos de um conjuto de materiais!!!!
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25Prof. Allan Fagner Cupertino
Ionização térmica – Semicondutor Intrínseco
10/03/2020
Baliga, B. J. “Fundamentals of Semicondutor Devices”, Springer.
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26Prof. Allan Fagner Cupertino
Elétrons e lacunas: movimento aparente
10/03/2020
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27Prof. Allan Fagner Cupertino
Dopagem
10/03/2020
❑ Na camada chamada de P, adiciona-se materiais aceitadores de elétrons (3 elétrons nacamada de valência: boro, alumínio);
❑ Na camada chamada de N, adiciona-se materiais doadores de elétrons (5 elétrons nacamada de valência: fósforo);
❑ No material tipo P, as lacunas são os portadores majoritários e os elétrons são osportadores minoritários;
❑ No material tipo N, os elétrons são os portadores majoritários e as lacunas são osportadores minoritários;
❑ Formada por fusão, difusão ou crescimento epitaxial.
❑ IMPORTANTE: Note que os materiais são eletricamente neutros (o número de prótons éigual ao número de elétrons).
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28Prof. Allan Fagner Cupertino
Dopagem do material semicondutor
10/03/2020
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29Prof. Allan Fagner Cupertino
Efeito da dopagem
10/03/2020
❑ Semicondutor extrínseco
❑ Lei de ação da massa: 𝑛𝑖 𝑇 = 𝑝0𝑛0 = 𝐶 exp −𝑞𝐸𝑔
𝑘𝑇
❑ Lei de neutralidade de carga: 𝑁𝑎 + 𝑛0 = 𝑁𝑑 + 𝑝0
❑ Para o material tipo P, 𝑁𝑎 ≫ 𝑛𝑖 → 𝑝0 ≈ 𝑁𝑎 → 𝑛𝑜 ≈𝑛𝑖2
𝑁𝑎
❑ Para o material tipo N, 𝑁𝑑 ≫ 𝑛𝑖 → 𝑛0 ≈ 𝑁𝑑 → 𝑝0 ≈𝑛𝑖2
𝑁𝑑
❑ Conclusões:• Conclusão: a densidade de portadores minoritários é proporcional ao quadrado da
densidade intrínseca de portadores → Afetada pela temperatura!
• A geração de portadores minoritários é afetada pelas diferentes concentrações dedopantes no material;
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30Prof. Allan Fagner Cupertino
Efeito da dopagem
10/03/2020
❑ A dopagem geralmente é limitada a concentrações da faixa de 1019 𝑐𝑚−3 que é
pequena comparada a densidade de átomos (em torno de 1023 𝑐𝑚−3);
Baliga, B. J. “Fundamentals of Semicondutor Devices”, Springer.
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31Prof. Allan Fagner Cupertino
Recombinação
10/03/2020
❑ Portadores minoritários são gerados em equilíbrio térmico;
❑ A recombinação de pares lacuna elétron é esperada;
❑ Portadores podem ser capturados pelas impurezas ou defeitos na estrutura
cristalina;
❑ Fenômeno complexo de ser analisado. Abordagem simplificada:
𝑑(𝛿𝑛)
𝑑𝑡= −
𝛿𝑛
𝜏
• 𝛿𝑛 é o excesso de carga;
• 𝜏 é a constante de tempo de vida dos portadores minoritários (lifetime).
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32Prof. Allan Fagner Cupertino
Recombinação
10/03/2020
❑ 𝜏 aumenta com a temperatura (isto aumenta o tempo de comutação de
dispositivos bipolares).
❑ 𝜏 aumenta com o valor de 𝛿𝑛, para 𝑛 > 1017𝑐𝑚−3
𝜏 =𝜏0
1 +𝛿𝑛𝑛𝑏
2
❑ Diminuição do lifetime → afeta as perdas de condução de dispositivos bipolares
diretamente polarizados
❑ Controle de lifetime é importante → criação de centros de recombinação!
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33Prof. Allan Fagner Cupertino
Controle de lifetime
10/03/2020
Baliga, B. J. “Fundamentals of Semicondutor Devices”, Springer.
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34Prof. Allan Fagner Cupertino
Deriva e difusão
10/03/2020
❑ Para campos elétricos inferiores a 104𝑉
𝑐𝑚, pode-se escrever que:
𝑣𝐷 = 𝜇𝐸
• 𝐸 é o campo elétrico aplicado
• 𝜇𝑛 e 𝜇𝑝 são as mobilidades dos elétrons e das lacunas no material
• A mobilidade das lacunas e dos elétrons são diferentes!
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35Prof. Allan Fagner Cupertino
Densidade de corrente de deriva
10/03/2020
𝐽𝑑 = 𝑞𝜇𝑛𝑛𝐸 + 𝑞𝜇𝑝𝑝𝐸
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36Prof. Allan Fagner Cupertino
Mobilidade dos portadores
10/03/2020
❑ Por que a mobilidade cai com a temperatura?
❑ Por que a mobilidade do elétron e da lacuna são diferentes?
Baliga, B. J. “Fundamentals of Semicondutor Devices”, Springer.
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37Prof. Allan Fagner Cupertino
Velocidade dos portadores versus E - Si
10/03/2020
❑ Por que existe uma saturação na velocidade?
Baliga, B. J. “Fundamentals of Semicondutor Devices”, Springer.
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38Prof. Allan Fagner Cupertino
Densidade de corrente de difusão
10/03/2020
𝐽𝑑𝑓 = 𝑞𝐷𝑛𝑑𝑛
𝑑𝑥− 𝑞𝐷𝑝
𝑑𝑝
𝑑𝑥
𝐷𝑝
𝜇𝑝=𝐷𝑛𝜇𝑛
=𝑘𝑇
𝑞
❑ Os mecanismos de deriva e difusão estão presentes em todos os dispositivos
eletrônicos
❑ Na maioria das vezes, um dos fenômenos é predominante
❑ Num caso geral, ambas as densidades de corrente são importantes para prever o
comportamento do dispositivo.
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39Prof. Allan Fagner Cupertino
Junção PN
10/03/2020
❑ Os materiais podem ser fortemente ou fracamente dopados
❑ 𝑁− ou 𝑁+
Baliga, B. J. “Fundamentals of Semicondutor Devices”, Springer.
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40Prof. Allan Fagner Cupertino
Formação da região de depleção
10/03/2020
❑ Fluxo de elétrons e lacunas
por difusão;
❑ Impurezas ionizadas formam
a zona de depleção;
❑ O campo elétrico gerado pela
zona de depleção se opõe a
difusão
❑ Regime permanente: Deriva
anula difusão!
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41Prof. Allan Fagner Cupertino
Barreira de potencial – Junção PN abrupta
10/03/2020
❑ Distribuição de carga elétrica
❑ Distribuição de campo elétrico
❑ Distribuição de potencial elétrico
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42Prof. Allan Fagner Cupertino
Barreira de potencial
10/03/2020
𝑊0 =2𝜖𝜙𝑐 𝑁𝑎 + 𝑁𝑑
𝑞𝑁𝑎𝑁𝑑
❑ Largura da região de depleção
❑ Equação de Poisson
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43Prof. Allan Fagner Cupertino
Junção com polarização direta (V>0)
10/03/2020
𝑊 𝑉 = 𝑊0 1 −𝑉
𝜙𝑐𝐸𝑚𝑎𝑥 =
2𝜙𝑐𝑊0
1 −𝑉
𝜙𝑐
❑ Por que a região de depleção diminui quando diretamente polarizada?
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44Prof. Allan Fagner Cupertino
Junção com polarização reversa (V<0)
10/03/2020
𝑊 𝑉 = 𝑊0 1 −𝑉
𝜙𝑐𝐸𝑚𝑎𝑥 =
2𝜙𝑐𝑊0
1 −𝑉
𝜙𝑐
❑ Por que a região de depleção aumenta quando reversamente polarizada?
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45Prof. Allan Fagner Cupertino
Corrente de saturação reversa
10/03/2020
❑ Gradiente de 𝑛𝑖 adjacente à região dedepleção → difusão
❑ Os portadores minoritários sãoacelerados pelo campo elétrico daregião de depleção
❑ Não depende da tensão aplicada
❑ Depende da temperatura porque adensidade de portadores intrínsecosdepende da temperatura
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46Prof. Allan Fagner Cupertino
Portadores minoritários na polarização direta
10/03/2020
❑ Polarização direta favorece a difusão;
❑ Excesso de portadores minoritários nas regiões de deriva;
❑ Decaem devido ao processo de recombinação
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47Prof. Allan Fagner Cupertino
Coeficiente de ionização 𝜶
10/03/2020
❑ Definido como o número de pares elétron/lacunas gerados por um elétron
atravessando 1 cm da região de depleção na direção do campo elétrico.
❑ Lei de Chynoweth:
𝛼 = 𝑎 exp −𝑏
𝐸Onde 𝑎 e 𝑏 são parâmetros obtidos experimentalmente e dependentes da
temperature.
❑ O processo de ionização define um limite de campo elétrico no material;
❑ Acima deste limite, ocorre o fenômeno conhecido como avalanche.
Baliga, B. J. “Fundamentals of Semicondutor Devices”, Springer.
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48Prof. Allan Fagner Cupertino
Coeficiente de ionização 𝜶
10/03/2020
❑ Quais dos dois materiais é capaz de bloquear mais tensão?
Baliga, B. J. “Fundamentals of Semicondutor Devices”, Springer.
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10/03/2020 Prof. Allan Fagner Cupertino 49
Estrutura Interna
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50Prof. Allan Fagner Cupertino
Diodo PN
10/03/2020
❑ Diodo PN
Baliga, B. J. “Fundamentals of Semicondutor Devices”, Springer.
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51Prof. Allan Fagner Cupertino
Diodo PIN
10/03/2020
❑ Diodo PIN
Baliga, B. J. “Fundamentals of Semicondutor Devices”, Springer.
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52Prof. Allan Fagner Cupertino
Estrutura interna – Diodo PIN
10/03/2020
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53Prof. Allan Fagner Cupertino
Efeito da curvatura
10/03/2020
❑ As impurezas sofrem difusão vertical
e horizontal em velocidades similares;
❑ Portanto, a junção apresenta
curvature.
❑ Se o raio de curvatura for comparávelcom a largura da depleção, o campoelétrico não é uniforme;
❑ Reduz a tensão máxima de bloqueio;
❑ R> 6W resulta em uma redução de10 % na tensão máxima de bloqueio;
❑ Não é fácil manter essa relação paragrandes tensões de bloqueio (acimade 1000 V).
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54Prof. Allan Fagner Cupertino
Soluções
10/03/2020
❑ Condutores isolados eletricamentefuncionam como superfíciesequipotenciais;
❑ Resulta em um aumento do raio decurvatura da região de depleção;
❑ Regiões P isoladas eletricamentetambém contribuem para um aumentodo raio de curvatura da região dedepleção;
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55Prof. Allan Fagner Cupertino
Efeito de borda
10/03/2020
❑ As diferentes constantes dielétricas do silício e do ar geram um aumento do campoelétrico nas bordas do chip;
❑ Isto pode reduzir a máxima tensão de bloqueio do diodo;
❑ Contornos diferentes na superfície diminuem a curvatura da região de depleção;
❑ Uso de passivação da superfície ajuda a minimizar o aumento do campo elétrico e aatração de impurezas.
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56Prof. Allan Fagner Cupertino
Formas de onda – diodo PIN
10/03/2020
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57Prof. Allan Fagner Cupertino
Formas de onda – diodo PIN
10/03/2020
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58Prof. Allan Fagner Cupertino
Modulação de condutividade
10/03/2020
❑ Portadores minoritários são injetadas naregião 𝑁− quando o diodo é diretamentepolarizado (dupla injeção);
❑ Espera-se que a recombinação reduza adensidade de cargas da região;
❑ Se o comprimento da região 𝑁− é menorque o comprimento de difusão e a injeçãode portadores é maior que 𝑛𝑛𝑜 , adistribuição de cargas é aproximadamenteplana.
❑ Como a densidade de cargas aumenta, aresistência da região 𝑁− diminuiconsideravelmente;
❑ Este fenômeno é conhecido comomodulação de condutividade.
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59Prof. Allan Fagner Cupertino
Modulação de condutividade
10/03/2020
𝑉𝑑 ≈𝑊𝑑
2
𝜇𝑛 + 𝜇𝑝 𝜏
❑ Conclusão: A queda de tensão diretamente polarizado reduz com o aumento dotempo de vida dos portadores minoritários (lifetime);
❑ Modulação de condutividade só acontece em dispositivos baseados em portadoresminoritários (bipolares). Por isso IGBTs são comercialmente disponíveis paratensões maiores que MOSFETs (dispositivo unipolar).
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60Prof. Allan Fagner Cupertino
Formas de onda – diodo PIN
10/03/2020
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61Prof. Allan Fagner Cupertino
Formas de onda – diodo PIN
10/03/2020
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62Prof. Allan Fagner Cupertino
Recuperação direta
10/03/2020
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63Prof. Allan Fagner Cupertino
Recuperação direta
10/03/2020
❑ Durante o tempo 𝑡1, a carga armazenada na região de depleção é removida. Este
fenômeno pode ser interpretado como a descarga de uma capacitância;
❑ O sobressinal é causado por dois fenômenos:
• A resistência elétrica da região 𝑁− só reduz após a formação da distribuição de
carga (modulação de condutividade leva tempo);
• As conexões internas do diodo apresentam indutâncias parasitas.
❑ 𝑡1: Tipicamente na faixa de centenas de nanosegundos;
❑ 𝑡2: Tipicamente na faixa de microssegundos.
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64Prof. Allan Fagner Cupertino
Densidade de portadores versus tempo
10/03/2020
Baliga, B. J. “Fundamentals of Semicondutor Devices”, Springer.
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65Prof. Allan Fagner Cupertino
Formas de onda – diodo PIN
10/03/2020
![Page 66: Aula 2: Diodos de Potênciaª… · Relações de compromisso no projeto de diodos; Exemplo de um datasheet. 10/03/2020 Prof. Allan Fagner Cupertino 4 Diodos: Características. Prof.](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022042807/5f81b58d42df0234554a59c6/html5/thumbnails/66.jpg)
66Prof. Allan Fagner Cupertino
Recuperação reversa
10/03/2020
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67Prof. Allan Fagner Cupertino
Recuperação reversa
10/03/2020
❑ Durante o tempo 𝑡3, a corrente reduz seguindo a derivada definida pelo circuito externoaté atingir zero;
❑ Inicia-se o período definido por 𝑡4. Uma vez que o diodo tem uma distribuição de cargano seu interior, ele não é capaz de gerar a região de depleção instantaneamente;
❑ Durante 𝑡4 a corrente no diodo fica negativa e os portadores majoritários se movematravés da região de depleção. Isso gera uma redução na queda de tensão do diodo;
❑ Quando o espaço de carga é eliminado em uma das junções, o diodo começa abloquear tensão. Inicia-se o período definido por 𝑡5. A queda de tensão torna-senegativa.
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68Prof. Allan Fagner Cupertino
Recuperação reversa
10/03/2020
❑ Durante 𝑡5, o restante das cargas presentes na diodo se recombinam e a região de
depleção finalmente é formada;
❑ O sobressinal observado na tensão do diodo é ocasionado pelas indutâncias
parasitas do circuito;
❑ Usualmente, 𝑡5 < 𝑡4;
❑ O tempo de recuperação reversa é função direta do tempo de vida dos portadores
no dispositivo.
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69Prof. Allan Fagner Cupertino
Diodos Schottky
10/03/2020
❑ Queda de tensão na faixa de 0,3 a 0,5volts;
❑ Tensões de bloqueio menores que 200V (para dispositivos de silício);
❑ Baseado em portadores majoritários(dispositivo unipolar);
❑ Não apresenta recuperação reversa;
❑ Dispositivos de canal N são preferíveis(maior mobilidade dos elétrons emrelação as lacunas).
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70Prof. Allan Fagner Cupertino
Diodos Schottky
10/03/2020
❑ Fluxo de elétrons do semicondutor para o condutor;
❑ Resulta em uma zona de depleção;
❑ No estado bloqueado o campo elétrico é contido na região N;
❑ Uma vez que não existe modulação de condutividade, deve-se usar uma dopagem
relativamente alta → recuperação direta desprezível;
❑ O aumento da tensão de bloqueio acaba afetando a queda de tensão direta do
diodo, pois a camada N deve ser mais longa (por isso deve ser mantida baixa);
❑ Não necessita de recombinação durante a comutação, pois baseia-se em
portadores majoritários → recuperação reversa desprezível;
❑ Problema: Alta corrente de fuga.
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71Prof. Allan Fagner Cupertino
Comparação Si versus SiC
10/03/2020
❑ Dispositivos baseados em SiC podem apresentar tensões de bloqueio maiores!
❑ Desta forma, podem-se construir diodos Schottky de média tensão.
Baliga, B. J. “Fundamentals of Semicondutor Devices”, Springer.
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10/03/2020 Prof. Allan Fagner Cupertino 72
Relações de Compromisso
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73Prof. Allan Fagner Cupertino
Diodos epitaxiais versus diodos por difusão
10/03/2020
❑ Diodo PIN epitaxiais
• Primeiro a camada 𝑁− é depositado por crescimentoepitaxial no substrato 𝑁+;
• Em seguida, a camada 𝑃+ é obtida por difusão;
• Diodos rápidos são produzidos utilizando-se centrosde recombinação (por exemplo, adição de ouro);
• Como a largura da camada intrínseca é pequena, estatecnologia é tipicamente aplicada para tensões debloqueio de 100 a 600 V;
• Maiores defeitos cristalinos;
• Algumas opções de 1.2 kV são encontradas nomercado.
Lutz, J. et al. “Semiconductor Power Devices: Physics, Characteristics, Reliability ”, Springer.
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74Prof. Allan Fagner Cupertino
Diodos epitaxiais versus diodos por difusão
10/03/2020
❑ Diodo PIN por difusão
• Utiliza-se um substrato 𝑁−; As camadas 𝑁+ e 𝑃+
são obtidas por difusão;
• A largura da camada 𝑁− é basicamente determinada
pela profundidade da difusão;
• Usualmente utilizada para tensões acima de 1.2 kV;
• Menor número de defeitos cristalinos.
Lutz, J. et al. “Semiconductor Power Devices: Physics, Characteristics, Reliability ”, Springer.
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75Prof. Allan Fagner Cupertino
Efeito do dopante
10/03/2020
❑ Exemplo: 100 𝜇𝑚, 1200 ℃→ 98 h para o alumínio e 556 h para o boro!!!
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76Prof. Allan Fagner Cupertino
Diodo PIN (abordagens NPT e PT)
10/03/2020
❑ Qual estrutura é capaz de bloquear mais tensão?
Lutz, J. et al. “Semiconductor Power Devices: Physics, Characteristics, Reliability ”, Springer.
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77Prof. Allan Fagner Cupertino
Diodo PIN (abordagens NPT e PT)
10/03/2020
❑ Abordagem PT resulta em um menor
comprimento e uma menor queda de
tensão direta;
❑ Tende a resultar em uma menor
perda direta (0,8 V para um
dispositivo de 1.2 kV)
❑ Problemas durante recuperação
reversa!
Lutz, J. et al. “Semiconductor Power Devices: Physics, Characteristics, Reliability ”, Springer.
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78Prof. Allan Fagner Cupertino10/03/2020
Recuperação reversa – Diodo PT
❑ Alta derivada de corrente (qual o problema?);
❑ Solucões: ቐ
Inserir camada adicional (buffer)Inserir centros de recombinação
Mudar o design (NPT)
Baliga, B. J. “Fundamentals of Semicondutor Devices”, Springer.
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79Prof. Allan Fagner Cupertino10/03/2020
Comparação
Baliga, B. J. “Fundamentals of Semicondutor Devices”, Springer.
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80Prof. Allan Fagner Cupertino10/03/2020
Relação de compromisso
Baliga, B. J. “Fundamentals of Semicondutor Devices”, Springer.
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81Prof. Allan Fagner Cupertino10/03/2020
Inserção de centros de recombinação
❑ Pode afetar as características durante polarização direta
Lutz, J. et al. “Semiconductor Power Devices: Physics, Characteristics, Reliability ”, Springer.
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82Prof. Allan Fagner Cupertino10/03/2020
Inserção de centros de recombinação
❑ Pode afetar as características durante recuperação direta
Lutz, J. et al. “Semiconductor Power Devices: Physics, Characteristics, Reliability ”, Springer.
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83Prof. Allan Fagner Cupertino10/03/2020
Diodo Schottky – Relação de compromisso
Baliga, B. J. “Fundamentals of Semicondutor Devices”, Springer.
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84Prof. Allan Fagner Cupertino10/03/2020
Diodo Schottky baseado em SiC
Baliga, B. J. “Fundamentals of Semicondutor Devices”, Springer.
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85Prof. Allan Fagner Cupertino10/03/2020
Algumas soluções criativas
❑ Solução 1 ❑ Solução 2
❑ Citar uma vantagem e desvantagem de cada solução.
Lutz, J. et al. “Semiconductor Power Devices: Physics, Characteristics, Reliability ”, Springer.
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10/03/2020 Prof. Allan Fagner Cupertino 86
Datasheet
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Diodo IDW100E60 da Infineon
Fonte: http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IDW100E60-DS-v02_03-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b438da286bba
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88Prof. Allan Fagner Cupertino10/03/2020
Diodo IDW100E60 da Infineon
Fonte: http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IDW100E60-DS-v02_03-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b438da286bba
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89Prof. Allan Fagner Cupertino10/03/2020
Diodo IDW100E60 da Infineon
Fonte: http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IDW100E60-DS-v02_03-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b438da286bba
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90Prof. Allan Fagner Cupertino10/03/2020
Diodo IDW100E60 da Infineon
Fonte: http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IDW100E60-DS-v02_03-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b438da286bba
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Diodo IDW100E60 da Infineon
Fonte: http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IDW100E60-DS-v02_03-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b438da286bba
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92Prof. Allan Fagner Cupertino10/03/2020
Diodo IDW100E60 da Infineon
Fonte: http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IDW100E60-DS-v02_03-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b438da286bba
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93Prof. Allan Fagner Cupertino10/03/2020
Diodo IDW100E60 da Infineon
Fonte: http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IDW100E60-DS-v02_03-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b438da286bba
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94Prof. Allan Fagner Cupertino10/03/2020
Diodo IDW100E60 da Infineon
Fonte: http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IDW100E60-DS-v02_03-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b438da286bba
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95Prof. Allan Fagner Cupertino10/03/2020
Diodo IDW100E60 da Infineon
Fonte: http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IDW100E60-DS-v02_03-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b438da286bba
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Tarefa
❑ Baseando-se nos conhecimentos adquiridos nesta aula, analisar
comparativamente (de forma detalhada) as características de condução e
comutação de duas pontes de diodos comercializadas pela Semikron:
1. SK 80 D 12 F
2. SK 95 D
❑ Os datasheets podem ser obtidos no seguinte link:
https://www.alldatasheet.com/
❑ Entregar um relatório de no máximo 3 (três) páginas (para a próxima aula);
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