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Semicondutores Semicondutores : : Diodo Zener Diodo Zener 12-03-22 12-03-22 Por Por : : Luís Timóteo Luís Timóteo 1

Semicondutores Diodo Zener

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Semicondutores Diodo Zener

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Semicondutores - Diodo ZenerPrincípio de funcionamento
Este movimento de cargas devido ao campo elétrico criado na junção devido às cargas fixas de doadores e aceitadores, constitui uma corrente chamada de corrente de deriva (contrária a corrente de difusão). Assim, para que haja condução de corrente pela junção, electrões livres e lacunas em maioria nos diferentes semicondutores, estes precisam de vencer esta barreira de potencial, ou seja, precisam possuir energia maior que VD.
O princípio de funcionamento de dispositivos electrónicos, como diodos rectificadores e transistores, baseiam-se no comportamento de junções entre semicondutores tipo P e tipo N, denominadas de junção P-N. A junção tem a propriedade de um rectificador electrónico, isto é, faz com que um fluxo de corrente eléctrica tome somente uma direcção, transformando, por exemplo, tensão alternada em tensão contínua (DC).
Na prática, obtemos uma junção PN dopando um mesmo material com impurezas doadoras de um lado e impurezas aceitadoras do outro. A diferença das concentrações de electrões e lacunas nestes materiais, gera um processo de deslocamento de cargas na junção dos dois tipos de semicondutores (corrente de difusão). No equilíbrio, os electrões do material tipo-N preenchem as lacunas do material tipo-P nas proximidades da junção, formando uma camada dupla de cargas fixas de átomos dadores e aceitadores chamada de zona de deplexão.
A formação de cargas fixas nesta região dá origem a uma diferença de potencial de contato (VD) ou barreira de potencial na zona de deplexão. Desta forma, a região (ou zona) de deplexão age como uma barreira (resistência alta) impedindo que os electrões e lacunas continuem a atravessar o plano da junção.
Junções P-N – Diodo semicondutor
*
Uma tensão positiva adequada (forward bias) aplicada entre as duas extremidades da junção PN, pode fornecer os electrões livres e lacunas com a energia extra. A tensão externa necessária para superar esta barreira de potencial que existe agora, é muito dependente do tipo de material semicondutor utilizado, e a sua temperatura real. Tipicamente, á temperatura ambiente, a tensão através da camada de deplexão para o silício é de cerca de 0,6-0,7 volts e para o germânio é de cerca de 0,3-0,35 volts. Esta barreira de potencial existirá sempre, mesmo que o dispositivo não esteja ligado a qualquer fonte de energia externa.
O significado desta barreira de potencial “built-in”, através da junção, é que ela se opõe tanto o fluxo de lacunas ou buracos, como de electrões, através da junção e é por isso que é chamado de “barreira de potencial”.
Na prática, uma junção PN é formada dentro de um cristal único de material, em vez de simplesmente aderir ou fundir duas peças separadas. Os contatos elétricos também são fundidos em ambos os lados do cristal, para permitir a ligação eléctrica a um circuito externo. O dispositivo resultante, é chamado um diodo de junção PN ou diodo de sinal.
Princípio de funcionamento: Propriedades - Barreira de potencial
Junções P-N – Diodo semicondutor
Volts
Quando um diodo é ligado numa condição de polarização zero, nenhuma energia potencial externa é aplicada à junção PN.
No entanto, se os terminais de diodos são curto-circuitados, algumas lacunas(portadores maioritários) no material do tipo P têm a energia suficiente para ultrapassar a barreira de potencial, e irão mover-se através da junção, contra a “barreira de potencial”. Isto é conhecido como o corrente de deriva e é referida como IF.
Do mesmo modo, as lacunas geradas no material do tipo N (portadores minoritários), através desta situação favorável, movem-se através da junção na direcção oposta. Isto é conhecido como o "corrente inversa" (reverse current) e é referenciada como ID. Esta transferência de electrões e lacunas através da junção PN é conhecida como difusão.
Polarização do diodo: Sem polarização (Zero Biased Junction Diode)
Junção PN
Polarização do diodo: Sem polarização (Zero Biased Junction Diode)
A barreira de potencial que existe agora desencoraja a difusão de mais quaisquer portadores maioritários através da junção. No entanto, a barreira de potencial ajuda os portadores minoritários (poucos electrões livres da região - P, e alguns buracos da região - N, à deriva, através da junção.
Os portadores minoritários são constantemente gerados devido à energia térmica, pelo que, este estado de equilíbrio pode ser quebrado por aumento da temperatura da junção PN, causando um aumento da geração de portadores minoritários, resultando assim num aumento da corrente de fuga, mas uma corrente eléctrica não pode fluir uma vez que nenhum circuito está ligado à junção PN.
Depois, estabelecer-se-á um "equilíbrio" que será estabelecido quando se moverem em direcções opostas, os portadores maioritários em igual número, de modo que o resultado líquido é corrente zero a fluir no circuito. Quando isto ocorre, a junção é dita estar num estado de "equilíbrio dinâmico".
Região - N
Região - P
Junção PN
Diodo Semicondutor
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Quando um diodo é ligado numa condição de polarização directa, uma tensão negativa é aplicada ao material do tipo N, e uma tensão positiva é aplicada ao material do tipo P. Se esta tensão externa se tornar maior do que o valor da barreira de potencial, aprox. 0,7 volts para o silício e 0,3 V para o germânio, o potencial da barreira de oposição, será superada e a corrente eléctrica começará a fluir.
Região - N
Região - P
Isto acontece porque a tensão negativa empurra ou repele os electrões em direcção à junção, dando-lhes energia para a atravessar e combinarem-se com as lacunas, que são também empurradas na direcção da junção, na direcção oposta, pela tensão positiva. Isso resulta numa curva de características de fluxo de corrente zero, até ao ponto de tensão, o chamado "joelho" nas curvas estáticas, e em seguida um elevado fluxo de corrente através do diodo com um pequeno aumento na tensão externa, a partir de 0,3 – 07 volts.
Polarização do diodo: Polarização directa (Forward Biased Junction Diode)
Junção PN
Curva característica de um diodo de junção com polarização directa
A aplicação de uma tensão de polarização directa na junção do diodo, resulta na camada de deplexão se tornar muito fina e estreita, o que representa um trajecto de baixa impedância através da junção, permitindo assim altos fluxos de corrente. O ponto em que este aumento súbito da corrente tem lugar, está representada na curva I-V estática característica, acima do ponto de "joelho".
Uma vez que o diodo pode conduzir corrente "infinita" acima deste ponto “joelho” pois torna-se efectivamente um curto-circuito, são usadas, resistências em série com o diodo afim de limitar o seu fluxo de corrente. Ultrapassar o valor de corrente directa máxima especificada, resulta em sobreaquecimento e posterior falha do dispositivo.
Voltagem de Polarização Directa (VF volts)
Corrente Directa (IF mA)
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Região - N
Região - P
Voltagem de Polarização Inversa
Maior camada de Deplexão
O resultado líquido é que a camada de deplexão cresce mais, devido a uma falta de electrões e lacunas, e apresenta um caminho de alta impedância, quase um isolante. O resultado é criar uma alta barreira de potencial impedindo assim o fluxo de corrente através do material semicondutor.
Quando um diodo é ligado numa condição de polarização inversa, uma tensão positiva é aplicada ao material do tipo N, e uma tensão negativa é aplicado ao material de tipo P. A voltagem positiva aplicada ao material do tipo N atrai electrões para o eléctrodo positivo e aumenta a distância a partir da junção, enquanto as lacunas também são atraídas para eléctrodo negativo da fonte afastando-se assim da junção.
Esta circunstância dá um valor elevado de resistência à junção PN e praticamente zero a corrente fluir através do díodo de junção com um aumento na tensão de polarização inversa.
Junção PN
Diodo Semicondutor
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+
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No entanto, uma pequena corrente de fuga flui através da junção, e que pode ser medida, na ordem de microamperes (A). Se a tensão de polarização inversa VR aplicada ao diodo for elevada para um valor suficientemente alto, fará a junção PN superaquecer e falhar devido ao efeito de avalanche em torno da junção. Isto pode fazer com que o diodo entre em curto-circuito e irá resultar na passagem da corrente máxima no circuito.
Polarização do diodo: Polarização inversa (Reverse Biased Junction Diode)
Região de Reverse Breakdown
Por vezes, este efeito de avalanche tem aplicações práticas em circuitos estabilizadores de tensão em que uma limitadora em série é utilizada com o diodo a limitar a corrente a um valor máximo pré-estabelecido, e assim, produzir uma saída de tensão fixa através do diodo de ruptura inversa. Estes tipos de diodos são comumente conhecidos como Diodos Zener.
Voltagem Inversa (-VR)
*
O diodo Zener é como um diodo de sinal de uso geral, que consiste de uma junção PN de silício. Quando polarizado directamente, ele se comporta como um diodo de sinal padrão, passando a corrente nominal, mas assim que a tensão inversa aplicada sobre o diodo Zener exceder as da tensão nominal do dispositivo VZ, (breakdown voltage) ou tensão de ruptura altura, é atingido um processo chamado de “avalanche) na camada de depleção do semicondutor, e a corrente começa a fluir através do diodo, limitando assim o aumento na tensão.
Esta tensão do ponto de ruptura VZ, é chamada de "tensão Zener“, e pode variar de menos do que um, a centenas de volts.
A corrente flui através do diodo zener aumentando drasticamente para o valor máximo (que é geralmente limitada por uma resistência em série) que atingindo a saturação inversa, permanece constante.
--------------------25% IZ max
--------------------100% IZ max
Circuito equivalente modelo do diodo Zener e curva característica ilustrando (ZZ) – Resistência dinâmica.
 Um ponto importante do zener é a inclinação da curva Volt-ampere na faixa de operação . Seja ZZ = VZ / IZ o inverso da inclinação, onde ZZ é a resistência dinâmica ; se houver uma mudança IZ na corrente de operação do doido, haverá uma mudança VZ = ZZ IZ na tensão de operação.
VZ
0
+VF
-VR
IR
IF
IZmin
IZmax
Vz
A tensão Vin deve ser sempre maior que a tensão VZ.
Interessa que Vin não seja muito maior que Vout.
A diferença entre ambas as tensões é dissipada na resistência R.
O diodo de Zener é utilizado com "polarização inversa" , isto é o ânodo liga-se ao negativo da alimentação. A partir curva IV características anterior, podemos ver que o diodo zener tem uma região na sua característica inversa, de uma tensão negativa constante, independentemente do valor da corrente que flui através do diodo e permanece quase constante, mesmo com grandes mudanças, desde que a corrente no zener permaneça entre os valores de IZ (min) e a corrente máxima classificação IZ (max).
Circuito Regulador
Vout = Vz
+
+
Essencialmente, o diodo Zener é um regulador paralelo (com a carga RL). Na ausência de carga toda a corrente passa através do Zener, e a potência é dissipada em RS.
Diodo Zener
Efeito Zener e “Ripple”
Qualquer Zener actual tem uma performance melhor do que isto.
Diodo Zener
e Vin= 20V
Diodo Zener
Elemento
Série
Elemento
Circuito Regulador Série : Com Amplificador Operacional
O Circuito regulador Série, tem a vantagem de só consumir potência na presença de carga…
Elemento de Controlo
*
Além de produzir uma única tensão de saída estabilizada, os diodos zener também podem ser ligados em em série, como diodos de sinal normais de silício, para produzirem uma variedade de diferentes valores tensão de referência na saída, como mostrado abaixo.
Os valores dos diodos Zener podem ser escolhidos individualmente para atender a um valor pedido, enquanto o diodo de silício tem sempre uma queda de 0.6 - 0.7V na condição de polarização direta.
A tensão de alimentação, Vin deve, evidentemente, ser maior do que a maior potência e tensão de referência, no nosso exemplo é 19v.
Circuito Regulador- Valores standard
2.4V
2.7V
3.0V
3.3V
3.6V
3.9V
4.3V
4.7V
5.1V
5.6V
6.2V
6.8V
7.5V
8.2V
9.1V
10V
11V
12V
13V
15V
16V
18V
20V
22V
24V
27V
30V
33V
36V
39V
43V
47V
3.3V
3.6V
3.9V
4.3V
4.7V
5.1V
5.6
6.2V
6.8V
7.5V
8.2V
9.1V
10V
11V
12V
13V
15V
16V
18V
20V
22V
24V
27V
30V
33V
36V
39V
43V
47V
51V
56V
62V
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Os circuitos de fixação e de limitação, e protecção, são usados para moldar ou modificar uma entrada de onda AC (ou qualquer sinusoide) para uma forma de onda de saída diferente, dependendo do arranjo do circuito.
Circuitos Limitadores
Diodo Zener
Testes
Os testes devem de ser executados com um multímetro digital Normal …
Zener de 5,1V