DIODOS DE JUNÇÃO...Diodos Antônio Padilha L. Bo REGIÃO DE POLARIZAÇÃO DIRETA • Modelo matemático – IS, corrente de saturação ou escala, é uma constante • Depende da

Diodos Antônio Padilha L. Bo

DIODOS DE JUNÇÃO


TEMAS

(1) Fundamentos de física de semicondutores

– Conceitos básicos

– Materiais semicondutores

(2) O diodo de junção PN

– Conceitos básicos e diodo ideal

– Modelos de diodos

(3) Outros tipos de diodos

– Diodos zener

– Fotodiodos, LEDs

(4) Circuitos com diodos

– Limitadores, retificadores, etc


Fundamentos de física de semicondutores

● Conceitos básicos

– Estrutura atômica e ligações químicas

– Materiais condutores, isolantes e semicondutores

● Materiais semicondutores

– Condutividade em materiais semicondutores

– Dopagem

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ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÕES QUÍMICAS

• Estrutura atômica

– Nêutrons, prótons, elétrons

– Camada de valência

• Ligações químicas

– Ligação iônica

• Doação/recepção de elétrons

– Ligação covalente

• Compartilhamento de elétrons

– Ligação metálica

• Elétrons livres permeiam toda estrutura metálica

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MATERIAIS E CONDUTIVIDADE

• Condutores

– Não oferecem resistência a passagem de corrente elétrica

• Isolantes

– Bloqueiam a passagem de corrente elétrica

• Semicondutores?

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SEMICONDUTORES

• Condutividade em materiais semicondutores

– Estrutura cristalina caracterizada por ligações covalentes

• 4 elétrons na camada de valência

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SEMICONDUTORES

• Condutividade em materiais semicondutores

– Condutividade depende da temperatura

• Para baixas temperaturas, se comporta como um isolante

• Altas temperaturas provocam o surgimento de elétrons livres

– Corrente total dada por componente de difusão e deriva

Lacunas

– Semicondutor intrínseco

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DOPAGEM

• Inserção proposital de impurezas na estrutura de silício

– Por que?

• Obter maior controle da condutividade

– Em geral, em pequena proporção

– Semicondutor extrínseco

– Há dois tipos de dopagem

• Impurezas doadoras

– Átomos pentavalentes são adicionados

– Fósforo, arsênio, antimônio

– Aumenta a densidade de elétrons livres

– Semicondutor do tipo N (predominância de cargas negativas)

• Impurezas aceitadoras

– Átomos trivalentes são adicionados

– Boro, alumínio, gálio

– Aumenta a densidade de lacunas

– Semicondutor do tipo P (predominância de cargas positivas)

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DOPAGEM

Tipo PTipo PTipo N

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O diodo de junção PN

● Conceitos básicos

– O diodo ideal

– Polarização e comportamento da junção PN em diferentes condições

– Exemplos simples de circuitos

● Modelos de diodos

– O diodo real

– Modelo exponencial

– Modelos simplificados

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DIODO DE JUNÇÃO PN

• Características básicas

– O mais simples elemento não-linear

– Dois terminais

• O diodo ideal

Corte Condução

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• Estrutura

– Junção de semicondutores com diferentes dopagens

• A estrutura é contínua entre as junção PN

– A junção PN é o componente básico de dispositivos eletrônicos, tais como diodos, transistores bipolares de junção (BJT), transistores de efeito de campo (FET)

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POLARIZAÇÃO DE DIODOS

• Região de polarização direta

• Região de polarização reversa e de ruptura

Região P Região N

Depleção

Região P Região N

Depleção2



• Comportamento na condição de circuito aberto

(1) Cargas majoritárias transitam pela junção

(2) Cargas próximas à junção são neutralizadas, criando uma região de depleção

(3) Um equilíbrio é estabelecido, uma vez que não há energia para que elétrons ultrapassem a região de depleção

Estrutura básicaComportamento na condição de

circuito aberto

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• Comportamento na condição de polarização direta

– A região de depleção cria uma barreira de potencial para a condução elétrica

– Caso uma tensão de polarização seja aplicada ao diodo, com magnitude suficiente para vencer tal barreira, ocorrerá o colapso da região de depleção

Comportamento na condição de circuito aberto

Comportamento na condição de polarização direta

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• Comportamento na condição de polarização reversa

– Porém, caso o diodo seja polarizado reversamente, ocorrerá o alargamento da região de depleção

– Tal alargamento provocará o bloqueio do fluxo de corrente pelo diodo

– Contudo, devido a cargas minoritárias nos semicondutores N e P, correntes de fuga estarão sempre presentes

Comportamento na condição de circuito aberto

Comportamento na condição de polarização reversa

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• Limitação de corrente

– Circuito externo deve ser projetado de modo a limitar a corrente de condução direta do diodo e a tensão reversa do diodo em corte

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EXEMPLOS DE CIRCUITOS COM DIODOS

• Retificador simples

– Pode ser utilizado para transformar tensão CA em CC

– Ao considerar que o dispositivo é linear em duas regiões distintas de operação, podemos analisar o circuito nessas duas diferentes condições

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• Retificador simples para carregar uma bateria

– 2θ = 120° é o ângulo de condução, ou um terço de um ciclo

– A tensão reversa máxima sobre o diodo ocorre quando vS está em seu pico negativo e é igual a 24 +12 = 36V

– O valor de pico da corrente no diodo é dado por

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• Portas lógicas

– Considere um sistema de lógica positiva no qual uma tensão próxima de 0 V corresponde a um valor lógico 0 (ou baixo) e uma tensão próxima de +5 V corresponde a um valor lógico 1 (ou alto)

Porta ANDPorta OR

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• Analisando circuitos simples com diodos

– Algumas vezes não sabemos de antemão se os diodos estão em condução

– Nesse caso, iniciamos com uma suposição e verificamos sua validade

– Para o circuito em questão, supomos ambos os diodos estejam em condução, implicando em VB = 0 e V = 0. Assim,

– Pode-se então calcular a corrente I

– Assim, como I = 1 mA, ou seja, I > 0, D1 está

de fato em condução

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• Analisando circuitos simples com diodos

– Em outros casos, porém, tal suposição inicial pode ser falsa

– No circuito abaixo, por exemplo, caso se considere que ambos os diodos estejam em condução, teremos

– Tal suposição resulta em I = –1 mA, que é

incompatível com um diodo em condução

– Dessa forma, deve-se admitir que D1 está em corte

e D2 em condução, ou seja

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DIODO REAL

• Estrutura de um diodo de junção

• Característica i-v de um diodo de junção de silício

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DIODO REAL

– A região de polarização direta, determinada por v > 0

– A região de polarização reversa, determinada por v < 0

– A região de ruptura, determinada por v < –VZK

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REGIÃO DE POLARIZAÇÃO DIRETA

• Modelo matemático

– IS , corrente de saturação ou escala, é uma constante

• Depende da temperatura e da área de seção do diodo

• Magnitude na ordem de 10-15 A para diodos projetados para pequenos sinais

– VT , tensão térmica, também varia com a temperatura

• Consideraremos VT = 25 mV na temperatura ambiente

– A constante n tem um valor entre 1 e 2, dependendo do material e da estrutura física do diodo

• Queda de tensão no diodo

– Caso v = 0,5 V, a corrente é mínima

– Para condução plena, ocorre uma queda de tensão de 0,6 ~ 0,8 V entre os terminais do diodo

– Muitas vezes, simplificamos tal efeito, considerando uma queda de 0,7 V

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REGIÃO DE POLARIZAÇÃO DIRETA

• Relação exponencial entre corrente e tensão

– Considerando I >> IS , podemos assumir a seguinte relação

– Em termos de tensão

– Assim podemos obter relações diretas para variações de tensão e corrente

– Tais relações nos indicam que para uma variação de uma década na corrente do diodo, a queda de tensão varia de 2,3nVT, que é aproximadamente 60 mV para n = 1 e 120 mV para n = 2

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MODELO EXPONENCIAL

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MODELO EXPONENCIAL

• Características

– Precisão, pois baseado nos conceitos físicos que descrevem o comportamento do dispositivo

– Complexidade, muitas vezes dificultando a análise de circuitos com diodos

• Exemplo

– O circuito representado na figura pode ser descrito por duas pelas seguintes equações

– Como o problema é não-linear, a solução do problema não é evidente

• Para casos simples (como esse), pode-se encontrar uma solução gráfica

• Em geral, são utilizados métodos numéricos

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MODELO EXPONENCIAL

• Análise gráfica

– Ao se traçar as duas funções que descrevem o circuito, pode-se encontrar seu ponto de operação

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MODELO EXPONENCIAL

• Método numérico

– Exemplo de um método iterativo simples para problemas de pouca complexidade (como esse)

(1) Determine valores iniciais adequados

(2) While (NOT condição de parada)

(3) Calcule a corrente ID

(4) Calcule a tensão VD

– No caso atual, caso a queda de tensão seja de 0,1 V para cada década de variação na corrente, teríamos

V2 = 0,763 V

Iteração 1

Iteração 2

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MODELO PARA PEQUENOS SINAIS

• Linearização em torno do ponto de operação

– A derivada do modelo do diodo em torno do ponto de operação nos fornece uma relação linear entre VD e ID

– Assim, o diodo pode ser representado por

– Caso o circuito mantenha-se em torno

do ponto de operação

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MODELO SIMPLIFICADOS

• Linear por partes

– A função exponencial é aproximada por duas retas

– Equivalente a uma queda de tensão constante e uma resistência interna

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MODELO SIMPLIFICADOS

• Queda de tensão constante

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Outros tipos de diodos

● Diodo zener

– Associação de diodos

– Características básicas

– Regulação de tensão

● Fotodiodos e LEDs

– Conceitos básicos

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ASSOCIAÇÃO DE DIODOS

• Em série

– Diodo ideal

• Existe diferença entre um circuito com um diodo ou vários em série?

– Diodo real

• Mas o que acontece caso consideremos, por exemplo, um modelo de queda de tensão constante?

• Em paralelo

– O que acontece neste caso?

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DIODO ZENER

• Características básicas

– Conhecido também como diodo de ruptura, é um dispositivo projetado para operar na região de ruptura

– Ruptura causada pelos efeitos zener (ou breakdown, V menos elevadas) e avalanche (V mais elevadas)

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DIODO ZENER

• Exemplo

– Considere que o diodo em questão possui as seguintes características: VZ = 6,8 V com Iz = 5 mA, rZ = 20 Ω e IZK = 0,2 mA

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DIODO ZENER

• Exemplo

– Primeiramente, considerando o modelo simplificado de um diodo zener, obtém-se VZO = 6,7 V

– Caso não haja carga alguma conectada e a tensão de alimentação for 10 V, teremos

– Ainda sem carga conectada, variações de 1V na tensão de alimentação produzirão a seguinte variação na tensão de saída

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DIODO ZENER

• Exemplo

– Conectando-se uma carga 2 kΩ, a corrente na carga será de aproximadamente 6,8 V/2 kΩ = 3,4 mA. Portanto, a variação na corrente zener será de ΔIZ = –3,4 mA, e a correspondente variação na tensão zener (tensão de saída) será então de

– Porém, caso seja conectada uma carga de 0,5 kΩ, esta irá drenar uma corrente de carga de 6,8/0,5 = 13,6 mA. Isso não é possível, visto que a corrente I que circula por R é de apenas 6,4 mA (para V+ = 10 V). Portanto, o zener deve estar em corte. Se esse for realmente o caso, então VO é determinado pelo divisor de tensão formado por RL e R, ou seja

Confirmando que o diodo está em corte nessa condição

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DIODO ZENER

• Aplicações

– Regulação de tensão

• Deve rejeitar variações na tensão de alimentação e na impedância da carga

• Atualmente, devido a limitações em termos de potência fornecida e consumo, circuitos integrados mais sofisticados são usados para regulação de tensão

– Ex: LM78xx

– Limitadores de tensão

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FOTODIODOS e LEDs

• Eletroluminescência

– Princípio de funcionamento

• Tipos

– Fotodiodos

• Detector de luz

• Opera com polarização reversa

– LEDs

• Emissor de luz

• Maior tensão de offset,

menor tensão ruptura

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FOTODIODOS e LEDs

• Aplicações

– Fotodiodos

• Células fotovoltaicas

• Leitores óticos, detectores fumaça

– LEDs

• Luzes indicativas, segment display

• Lanternas, semáforos

– Tecnologias relacionadas

• LCD, Plasma, CCD, CMOS, ..

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Circuitos com diodos

● Exemplos de aplicações

– Limitadores

– Grampeadores

– etc

• Retificadores de tensão

– Retificador de meia onda

– Retificador de onda completa

– Filtros para fontes de alimentação

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CIRCUITOS ADICIONAIS COM DIODOS

• Circuitos limitadores

– Aplicação em circuitos de proteção

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– Limitadores positivos

– Limitadores negativos

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– Limitadores polarizados

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– Combinando dois limitadores polarizados

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– Limitadores com diodos Zener

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• Circuitos grampeadores

– Restauradores de tensão CC

– Grampeador negativo

– Como funciona esse circuito?

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– Restauradores de tensão CC

– Grampeador negativo

– Como funciona esse circuito?

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– Grampeador positivo polarizado

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• Circuitos adicionais

– O que faz o circuito abaixo?

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É um dobrador de tensão.


CIRCUITOS RETIFICADORES

• Passos

(1) O transformador proporciona uma tensão adequada e isola o circuito

(2) Converte a senoide em uma onda pulsante

(3) Tais pulsos ou variações são filtradas pelo circuito subsequente

(4) Por fim, para reduzir os efeitos devido a variações na fonte de alimentação e na carga, utiliza-se um regulador de tensão

Diagrama de blocos básico de uma fonte de alimentação CC.

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• Retificador de meia onda

– É o circuito retificador mais simples (ilustrado na figura (a))

– Apenas metade dos semiciclos da senoide é aproveitada

– Para o caso ideal, vRMS = 0,5 VS

– Caso consideremos um modelo de queda de tensão constante do diodo teremos o resultado mostrado em (d)

– Para se obter uma fonte de tensão negativa, basta inverter o diodo

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• Retificador de meia onda

– Caso consideremos o modelo linear por partes, teremos

– Daí, como em muitas aplicações rD « R, a tensão durante o semiciclo positivo pode aproximada por

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• Especificações para diodos em circuitos retificadores

– Dois aspectos básicos devem ser considerados

(1) A capacidade de condução de corrente exigida não pode ultrapassar a corrente máxima suportada pelo diodo

(2) A tensão de pico inversa (PIV), que representa o valor máximo de tensão que o diodo deve suportar

– Devido à região de ruptura

– Em relação ao retificador de meia-onda

(1) A corrente máxima será dada pela resistência R

(2) É fácil ver que

– Para o diodo 1N4007, a corrente máxima suportada é 1A, enquanto a tensão de ruptura encontra-se em torno de 1000V

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• Retificadores de onda completa

– Ambos semiciclos são utilizados

– Para proporcionar uma saída unipolar, o semiciclo negativo da onda senoidal é invertido

– Circuito utilizando transformador com derivação central

• Há uma defasagem de 180º entre as saídas do transformador

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– Um retificador de duas polaridades

usando o mesmo circuito

– Retificador em ponte

• Não exige transformador com tomada central

• Contudo, requer 4 diodos

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– Semiciclo positivo

– Semiciclo negativo

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– E no caso de um transformador trifásico?

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• Filtros para fontes de alimentação

– Analisaremos o que pode ser feito considerando um retificador de meia onda

– Considerando primeiramente um circuito aberto, em que o diodo é ideal

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– Agora vamos considerar que uma carga foi acoplada ao circuito

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– Durante a condução do diodo

– Durante o corte do diodo

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EXEMPLO DE EXERCÍCIO

• Projeto de uma fonte de tensão CC

– Especificações

• Retificação em ponte de diodos

• Tensão de saída vO = 12 V

• Flutuação máxima do circuito retificador, vRipple = 1 V

• Carga RL = 120 Ohm

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(1) Tensão vRMS do transformador

• A tensão do transformador será a calculada a partir da tensão vO, e somada às quedas nos dois diodos

• Assim, a especificação do transformador será vRMS = (vO - 2 vD0) / sqrt(2)

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(2) Especificação do capacitor

• Quando o diodo não está conduzindo, a descarga do capacitor se dá pela seguinte equação

• Entretanto, pode-se simplificar tal cálculo. Partindo de..

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(3) Fusíveis

• Em um transformador há mínima dissipação de potência. Assim, temos as seguintes relações

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(3) Regulação CC

• Uma alternativa para a regulação é baseada em diodos Zener

• A ideia é usar um circuito como ilustrado abaixo

• em que V+ representa a tensão proveniente do circuito retificador e a resistência associada deve ser escolhida de modo a garantir que a tensão V

O seja maior que V

Z0, a tensão de regulação

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