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J 1
EE530 Eletrônica Básica IProf. Fabiano Fruett
Aula J - Diodos
• Diodo ideal• Operação física dos diodos• Correntes no diodo • Efeito da temperatura• Capacitância de depleção e de difusão
J 2
Polarizações reversa e direta (diodo ideal)
2
J 3
Simbologia
Fonte: Boylestad 8th edição
Fotografia de diodos discreto
J 4
Resistor limitador
Análise baseada no diodo ideal!
3
J 5
Aplicação: Retificador
J 6
Retificador (diodo ideal)
Característica de transferência de vO versus vI
Forma de onda de vD
4
J 7
Análise com o modelo do diodo idealSuponha que vI tem um valor de pico de 10 V e R = 1 kΩ.
Calcule o valor de pico de iD e a componente cc de vO .
J 8
Detalhamento da Característica i – v de um diodo de junção de silício
5
J 9
Equação de Shockley para o Diodo Ideal
( )1Tv nVSi I e= −
IS corrente de saturação reversan é o coeficiente de emissão ou fator de idealidade VT a tensão termodinâmica k é a constante de Boltzmann, k=1,38E-23 [J/K]T a temperatura em Kelvinq a carga do elétron 1,60E-19 [C]portanto VT @ temperatura ambiente = 25 mV
i
v
TkTVq
=
1 2n≤ ≤
J 10
Processos físicos envolvidos
• Diodo em aberto
• Diodo em polarização reversa
• Diodo em polarização direta
6
J 11
Junção p-n
2ln D An p T
i
N NV V Vn
+ − Φ = − =
e ΦDiodo em aberto:
J 12
Limites da região de depleção
P A N DW N W N=
12
02 Si A DT dep N P
A D
N NW W W Wq N N
ε ε Φ += = + =
Largura total:
Sendo que corresponde a constante dielétrica do silício ( =1,04×10-12 F/cm) e φ é o potencial da junção
0 Siε ε ε=
TWNWPW
7
J 13
Aproximação de depleção
( ) 2
2
( ) ( )qN x dE x d V xdx dxε
= = −
Valida para (-Wp<x<Wn)
Aproximação de depleção: a) dopagem, c) campo elétrico b) densidade de carga espacial d) potencial eletrostático
J 14
Junção polarizada
( )122 A A D
TA D
V N NWq N N
ε Φ + +=
Reversa
Direta
( )Tv nVSi I e=
Si I= −Dentro de certos limites:
8
J 15
Polarização reversa
Difusão de majoritários ID < IS Deriva de minoritários
J 16
Carga armazenada em ambos os lados da camada de depleção como função da
tensão reversa VR
qJ = qNA ND
N A + N DAWdep
Wdep =2εs
q
1
N A+ 1
N D
(V0 + VR)
C j =dqj
dVR VR =VQ
Capacitância de depleção
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J 17
Junção pn na região de ruptura
Além de um certo valor de tensão reversa (que depende do diodo) ocorre a ruptura, e a corrente aumenta rapidamente com um pequeno aumento correspondente da tensão.
• Efeito Zener
• Efeito Avalanche
E
J 18
Efeito Zener• O campo elétrico da camada de depleção
pode aumentar até um ponto capaz de quebrar ligações covalentes gerando pares elétron-lacuna
5 VZV ≤
Junções com alta dopagem
Região de depleção reduzida
Campos elétricos intensos
106 V/cm
10
J 19
Avalanche• Portadores minoritários cruzam a região de
depleção e ganham energia cinética suficiente que podem quebrar ligações covalentes
7 VV ≥
Ionização por impacto
J 20
Polarização direta
ID – IS = I
Redução da camada de depleção
Aumento da corrente de difusão
A fonte externa fornece
portadores majoritários
para os dois lados
11
J 21
Polarização diretaPerfil dos portadores minoritários
difundidos em cada região
J 22
Polarização direta
• A concentração de excesso de portadores minoritários em cada borda da camada de depleção é dada pela relação de Boltzmann
• A recombinação destes portadores depende do comprimento de difusão
2/( ) exp TV Vi
n nD
np xN
=2
/( ) exp TV Vip p
A
nn xN
=
Lp = Dpτ pτp é o tempo de vida dos portadores minoritários
Dp é a constante de difusão
( )/p pD kT q= µ
12
J 23
Lacunas difundidas através da junção para dentro da região n
/0( ) exp TV V
n n np x p=
[ ] ( )/0 0( ) ( ) exp n px x L
n n n n np x p p x p − −= + −Lp é o comprimento de difusão
J 24
[ ] ( )/0 0( ) ( ) exp n px x L
n n n n np x p p x p − −= + −
( )np p
dp xJ qD
dx= −
/0( ) exp TV V
n n np x p=
( )//0 (exp 1) exp n pT x x Lp V V
p np
DJ q p
L− −= −
Concentração de portadores minoritários em xn
Decaimento da concentração
Densidade da corrente de difusão de lacunas
Densidade da corrente de difusão em função do decaimento da concentração
13
J 25
( )//0 (exp 1) exp n pT x x Lp V V
p np
DJ q p
L− −= −
O decaimento é devido à recombinação com os elétrons majoritários
O máximo na densidade de corrente de lacunas ocorre em x=xn, e vale:
/0 (exp 1)Tp V V
p np
DJ q p
L= −
J 26
Para o lado p tem-se:
Máximo na densidade de elétrons:
/0 (exp 1)TV Vn
n pn
DJ q nL
= −
Sendo que Ln é o comprimento de difusão dos elétrons minoritários
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J 27
Corrente total/
0 (exp 1)TV Vnn p
n
DJ q nL
= −/0 (exp 1)Tp V V
p np
DJ q p
L= −
0 0 /(exp 1)Tp n n p V V
p n
D p qD nI A q
L L
= + −
Substituindo pn0 = ni2/ND e np0 = ni2/NA
/2 (exp 1)Tp V Vni
p D n A
D DI AqnL N L N
= + −
IS = Aqni2
Dp
Lp ND+
Dn
LnN A
Corrente de saturação:
J 28
Dependência da relação v vs. icom a temperatura
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J 29
Efeito da temperatura em IS
( )kTqVTn gi /exp32 −∝ ( )/D kT q= µ
nT −µ ∝
IS = Aqni2
Dp
Lp ND+
Dn
LnN A
L D τ=
J 30
Efeito da temperatura em um diodo operando em polarização direta com corrente (i) constante
Vg0
T [K]
lnS
kT iq I
=vVg0 = 1,16 Vλ ≈ -2 mV/K
λ
16
J 31
Curiosidade
• Sensores de temperatura são baseados em junções semicondutores polarizadas diretamente.
• Fotodiodos e outros sensores de radiação luminosa são baseados em junções semicondutoras polarizadasreversamente.
J 32
Capacitância de Difusão
Carga de portadores minoritários armazenada em excesso
Q = Aq × área embaixo da exponencial pn(x) = Aq × pn[ ( xn ) − pn0]Lp
Cd =τT
VT
I
τT é chamado tempo médio de trânsito do diodo
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J 33
Capacitâncias em um diodo
Capacitância de Difusão• Predominante na
polarização direta• Acúmulo de portadores
minoritários nas regiões quase neutras
Capacitância de Depleção• Predominante na
polarização reversa• Acúmulo de cargas na
camada de depleção
012
0
1
jsj
depR
CACW V
V
ε= =
+
Cd =τT
VT
I
Aproximação na polarização direta:
dQCdV
=
02j jC C=
J 34
Sugestão de estudo
• Sedra/Smith Cap. 3 até seção 3.3.6– Exercícios e problemas correspondentes
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