FEPI Centro Universitário de Itajubá Eletrônica...
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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
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Diodo Semicondutor – Aspecto Construtivo
• Junção PN acrescida de duas regiões (N+ e P+).
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Polarização
Direta e Reversa
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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
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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)
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Níveis de
Resistência
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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
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Efeitos
Capacitivos
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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.
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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
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Potência
Dissipada
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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).
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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
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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