Introduo aos Semicondutores

Diodos de Propsito Geral Partes 1 e 2Diogo Ferreira(diogoleonardof@gmail.com)Eletrnica Bsica - abr-14FEPI Centro Universitrio de ItajubEletrnica Bsica1Diodo Zener2 Representa o princpio bsico da regulao de tenso3Diodo Zener

Projetado para atuar na regio reversa de maneira segura, se utilizando dos efeitos de avalanche e ZenerSmbolo utilizado para representar o diodo ZENER Deve ser polarizado reversamente para que atue como um dispositivo especializado Se polarizado diretamente, atua como um diodo comumO diodo Zener na polarizao direta se comporta como um diodo comum, na polarizao reversa que est a diferena entre o diodo convencional3Diodo ZenerParmetros

Exemplo: diodo Zener da srie 1N47284Ento aqui temos algumas caractersticas, a temportatura de operao, corrente de surto, entre outras4Diodo ZenerModelos

Fica a cargo do projetista observar a necessidade ou no do uso da resistncia zener, quer seja na anlise quer seja no projeto de circuitos com diodos Zener. Um erro de at 10% razovel.5Um modelo ideal do nosso diodo ento seria uma fonte com uma tenso Vz.

J para uma segunda aproximao considera-se uma impedncia e uma corrente circulando o sentido contrario a fonte

Ento o diodo tem como caracterstica manter uam tenso constante entre os seus terminais na polarizao reversa, porm h circulao de corrente5Diodo ZenerExemplos de Encapsulamento

6Aqui alguns exemplos de diodos Zener.6Diodo ZenerAnlise de circuitos empregando diodos ZenerA anlise de circuitos que contenham diodos Zener similar ao que j foi comentado para os diodos de sinal e retificadores. No se deve esquecer, entretanto, que o diodo Zener polarizado diretamente atua, basicamente, como um destes diodos.

Um circuito muito til com Zener o chamado Regulador Zener. Este circuito baseia-se no fato de que no Zener, quando polarizado na sua regio reversa, a tenso entre seus terminais fica praticamente constante e, dentro de certos limites, independente da corrente. 7Quando o sistema ligado, o diodo Zener ligar assim que a tenso atravs dele atingir VZ volts, travando neste valor e jamais alcanar o valor mais elevado de V volts.Diodo ZenerAnlise de circuitos empregando diodos ZenerDeterminar o estado do diodo Zener, removendo-o do circuito e calculando a tenso atravs do circuito aberto resultante

V = VL =RLViR + RL--------Se o diodo estiver no estado ligado, a tenso atravs do diodo no de V volts.8A anlise divide-se em duas partes, na primeira parte retira-se o diodo e analisa-se o valor de Vl, se for maior que Vz o diodo est ligado, caso contrario desligado.8Diodo Zener

Anlise de circuitos empregando diodos ZenerSubstitua o circuito equivalente apropriado e determine as variveis desejadas

Equivalente para o estado ligadoEquivalente para o estado desligado9Se o diodo estiver conduzindo, voc substituio zener por umafonte de tenso Vz, caso contrario por um circuito aberto

9LED (Light Emitting Diode)10Alguns outros diodos especiais, o primeiro a gente j trabalhou em laboratrio que seria o LED, diodo emissor de luz.10Este diodo especializado emite luz quando polarizado diretamente sendo considerado um dispositivo foto-emissorLEDsEm um diodo de sinal, por exemplo, a difuso de portadores majoritrios atravs da juno implica que eltrons esto sendo injetados de N para P e lacunas de P para N.Estes portadores ao se encontrarem podem se recombinar e haver a liberao de energia, pois eltrons estaro passando da Banda de Conduo para a Banda de Valncia. Esta liberao de energia se d sob a forma de Fnons (calor) e Ftons (luz).Em diodos de Si e Ge grande porcentagem desta energia liberada na forma de calor.Em diodos de Fosfeto Arseneto de Glio (GaAsP) e Fosfeto de Glio (GaP) o nmero de ftons emitidos suficiente para se criar uma fonte de luz visvel.11A energia proveniente da recombinao entre eltrons e lacunas pode se dissipar na forma de luz ou de calor

Nos diodos comuns a maior parte da energia dissipada na forma de calor, j nos leds a maior parte dissipada na forma de luz11Dependendo das concentraes de Fsforo e /ou Arsnio (ou do tipo de material) o comprimento de onda produzido representa emisses na faixa do amarelo, do laranja, do verde e do vermelho. Existem, tambm, LEDs que emitem na faixa do infravermelhoLEDs

12A cor do led ser definida pela quantidade de dopantes existente no semicondutor, ou seja, fosforo ou arsnio.12LEDs

SimbologiaEncapsulamentoSimbologia e Encapsulamento

13Aqui ento a simbologia e encapsulamento do led13LEDs

Exemplos14Mais alguns exemplos14LEDsCom relao aos seus parmetros eltricos existem algumas pequenas diferenas ao se comparar o LED com os diodos de sinal ou retificadores A curva caracterstica do LED apresenta uma tenso reversa de ruptura situada em torno de 5V e na condio de polarizao direta a tenso de joelho (VT) est entre 1,5V e 2,5V dependendo da cor do LED. Normalmente, o LED opera com uma corrente direta tpica de 10 a 20 mA;Parmetros Eltricos O tempo de resposta dos LEDS relativamente rpido (na faixa de nanosegundos), oferecem uma boa relao de contraste para a sua visibilidade, consomem potncia na ordem de 10 a 150 mW e tm uma vida til de aproximadamente 100.000 horas (10 anos).15Aqui s algumas observaes, a tenso de joelho est por volta de entre 1.5 e 2.5V enquanto os diodos de silcio em 0.7 e uam corrende direta tpica entre 10 e 20 ma enquanto diodos de silcio trabalham na casa de amperes.

E a tenso reversa suportada tambm realtivamente baixa, 5V contra 60 dos diodos de silicio15Fotodiodo16FotodiodoUma juno PN polarizada reversamente apresenta uma corrente muito pequena por se tratar de um fluxo de portadores minoritrios (gerao trmica de pares eltrons-lacunas).

Se for permitido que um outro tipo de energia (luz, por exemplo) alcance a regio da juno, ser possvel a produo de pares eltrons lacunas adicionais alm daqueles gerados termicamente.Portanto, possvel aumentar-se o fluxo de portadores minoritrios e, conseqentemente, a intensidade da corrente reversa.17 o principio contrario do led, portanto, injetando-se luz, a corrente do diodo aumenta at um ponto em que ele passa a conduzir.

17Fotodiodo O fotodiodo um dispositivo otimizado para apresentar esta sensibilidade luz.

Lente Convergente Neste diodo, uma janela permite que a luz atravesse o seu encapsulamento e atinja diretamente a juno PN. Normalmente, esta janela tem o formato de uma lente convergente.1818FotodiodoDark current (corrente no escuro): a corrente que existe no fotodiodo sem a presena da energia luminosa incidente. Esta corrente a corrente reversa devida unicamente aos portadores minoritrios gerados termicamente;CaractersticasApresentam uma relao aproximadamente linear entre o fluxo luminoso incidente e a corrente reversa produzida;Tempo de resposta na faixa de nanosegundos;Dentre os materiais semicondutores, o Germnio utilizado na construo dos fotodiodos.Apresenta um gap de energia (entre as bandas de valncia e conduo) de menor valor, possibilitando a sua maior sensibilidade e a sua resposta a um espectro mais amplo de comprimentos de onda incluindo a faixa IR (InfraRed).19O germnio mais utilizado poris ele amis sensive a deteco de luz19FotodiodoResposta Espectral Relativa

20Ento aqui algumas comparaes, o diodo de selnio basicamente ativado pelo espectro de luz visivel, sendo mais concentrado no amarelo

J o germnio voc consegue uma resposta quase que linear em funo do comprimento de onda da luz incidente.20Optoacoplador ou Optoisolador21Optoacoplador ou OptoisoladorUm dos tipos de optoacoplador rene, em um mesmo encapsulamento, um LED e um fotodiodo.

O LED considerado a entrada do sistema e o fotodiodo a sada. A idia fundamental transformar a energia eltrica em luz atravs do LED, transmitir esta luz acoplando-a a um fotodiodo que ir reconverter a luz em energia eltrica.O ponto principal deste tipo de circuito a isolao eltrica entre os circuitos de entrada e de sada que pode chegar a milhares de Volts (de outro modo, pode-se enxergar uma resistncia eltrica altssima entre estes circuitos)22Nada mais doq eu a combinao entre um led e um foto diodo, muito utilizado para o isolamento eltrico entre dois circuitos

Um exemplo de aplicao seria na sada de um clp22Diodos Varactor (Varicap)23Varactor (Varicap)Este diodo largamente utilizado em receptores de televiso, de rdio e outros equipamentos de comunicao que necessitam de circuitos de sintonia. Trata-se de um dispositivo semicondutor otimizado para atuar como um capacitor varivel dependente da tenso

Sua operao esta baseada na capacitncia de juno (ou transio) que existe quando o diodo est polarizado reversamenteEste efeito capacitivo modelado como um capacitor de placas paralelas em que a distncia entre as placas dada pela largura da regio de depleo. Esta largura depende da intensidade da polarizao reversa24Nos vimos la no inicio da matria que o diodo quando polarizado reversamente apresente uma capacitncia associada24Varactor (Varicap)Um aumento da tenso reversa provoca um aumento da regio de depleo e uma diminuio da capacitncia e uma diminuio da tenso um aumento da capacitnciaCT =AWD----- a permissividade dos materiais semicondutoresA a rea da juno p-nWd a largura de depleo

CT(VR) =C(0)(1 + |VR/VT|)n------------------n para junes de liga e para junes difusasVT o potencial de joelhoC(0) a capacitncia quando no h polarizao25Quanto maior a tenso reversa, maior a regio de depleo e menor a capacitancia

2526Varactor (Varicap)A faixa de capacitncias que podem ser obtidas situa-se, tipicamente, entre 2 a 100 pF (para uma variao de tenso reversa tambm, tipicamente, na faixa de 20 V) dependendo do tipo de varicap. Para garantir uma corrente de saturao pequena, estes dispositivos so fabricados com silcioAs folhas de dados destes dispositivos informam um valor de referncia da capacitncia medida para um determinado nvel de tenso reversaAlm deste valor de referncia, as folhas de dados fornecem uma faixa de sintonia e o alcance de tensoPor exemplo, o diodo BB139 apresenta os valores de capacitncia da seguinte forma

C = 30 pF (a 3V) e C3/C25 = 5

Significa que a capacitncia do diodo varia de 30 pF (a 3V) a 6 pF (a 25V)C3/c25 a razo, so fazer uma regra de 3 a26Diodos Schottky (Portadores Quentes)27Por ltimos temos o diodo Shottky27Diodo Schottky Aplicaes em altas freqncias, devido ao seu tempo de resposta rpido e sua figura de rudo reduzida;Aplicaes Empregado em fontes de potncia de baixa tenso/alta corrente e em conversores ca-cc; Sistemas de radar e lgica TTL Schottky para computadores, misturadores e detectores em equipamentos de comunicaes, instrumentao e conversores analgico-digitais.28 um diodo com tempo de resposta bem mais rpido que o convencional28Diodo Schottky

Construo bem diferente da juno p-n. O diodo formado atravs da juno metal/semicondutor.O semicondutor geralmente de silcio tipo nSo usados vrios metais (molibdnio, platina, cromo, tungstnio, etc.)Dependendo da tcnica empregada, conjuntos de caractersticas especficas so conseguidas (faixa de freqncia de emprego, nveis de polarizao direta, etc.)29Ento ao invpes de ter sume juno PN, o diodo Shottky formado atravs d euam juno metal semicondutor do tipo n29Diodo Schottky Em ambos os materiais, o eltron o portador majoritrio

Smbolo H um fluxo intenso de eltrons do semicondutor para o metal quando os materiais so unidos Esses portadores injetados tm um nvel de energia cintica muito alto em comparao aos eltrons do metal, sendo tambm chamados de portadores quentes O fluxo intenso de eltrons para o metal cria na regio prxima superfcie da juno uma depleo de portadores no silcio (semelhante regio de depleo no diodo de juno p-n)30Ento o que acontece, muito mais fcil eu mover um eletron dessa juno metal semicondutor do que d euma juno pn, ento o que vai acontecer que essa barreira de depleo vai ser muito menor30

Diodo Schottky A aplicao de uma polarizao direta reduz a depleo dos portadores, aumentando o fluxo de eltrons da juno (seu valor agora controlado pelo valor do potencial aplicado)A barreira do diodo Schottky menor que a dos dispositivos de juno p-nPara uma mesma polarizao o diodo Schottky possui um valor de corrente mais alto. Para a polarizao reversa isto uma desvantagem Is ( temperatura ambiente) da ordem de microamperes para componentes de baixa potncia e de miliamperes para os de alta potncia31Alguns diodos chegam a ter essa barreira em torno de 0.2 V31

Diodo Schottky O valor de VT para o diodo de portadores quentes determinado em grande parte pelo tipo de metal empregadoA ausncia de portadores minoritrios no diodo Schottky faz com que o tempo de recuperao reverso seja bastante pequeno Existe um compromisso entre faixa de temperatura e o valor de VT. O aumento de um resulta no aumento do outro32Ento de acordo com o metal eu desloo amis ou menso essa curva, uma desvantagem que a corrente reversa tambm maior32Outros Diodos33Outros DiodosDiodos de Potncia: So diodos desenvolvidos especificamente para suportar as demandas de alta potncia e alta temperatura de algumas aplicaes; Varistores: So tambm conhecidos como supressor de transiente. O dispositivo feito de material semicondutor e funciona como dois diodos Zener ligados em anti-srie com uma tenso de ruptura alta nos dois sentidos de polarizao. Diodos de Corrente Constante: Funcionam de modo exatamente oposto aos diodos Zener. Em vez de manter a tenso constante, esses diodos mantm a corrente constante;34Diodos de Retaguarda: So diodos Zener com nveis de dopagem mais alto, com isso o efeito Zener ocorre prximo de zero. A conduo direta ainda ocorre em torno de 0,7V, mas a conduo reversa comea em -0,1V aproximadamente.Este diodo recebe esse nome porque ele conduz melhor reversa do que diretamente polarizado. So usados para retificar sinais fracos, cujos picos de amplitudes esto entre 0,1 e 0,7V;Varistor Zeners em em anti serie, regulam tanto a tenso de sada evitanto surtos, tanto positivos quanto negativos, principio do filtro de linha.34Outros DiodosDiodo Tnel: Pelo aumento do nvel de dopagem de um diodo de retaguarda, podemos obter uma ruptura em 0V (diodos tneis).Estes diodos exibem um fenmeno conhecido como resistncia negativa (aumento na tenso direta produz uma diminuio na corrente direta, pelo menos em uma parte da curva direta).A resistncia negativa dos diodos tneis til em circuitos de alta frequncia chamados osciladores (convertem uma potncia cc em potncia ca).

3535Regulador Zener36Por ultimo vamso ver como funciona um regulador Zener36Regulador Zener: Circuito Bsico e Reta de CargaPara efeito de anlise do Regulador Zener considerar a topologia a seguir

O regulador atua no sentido de fazer com que a tenso sobre a carga (VL) fique constante a despeito de variaes que ocorram no sinal de entrada (DVi) e na demanda de corrente da carga (DIL).VDC37Qual que a ideia do regulador Zener? Manter uam tenso constante na carga independente de variaes no sinal de entranha e da carga na qual a tenso est aplicada

Regulador Zener: Circuito Bsico e Reta de CargaPara operao do Regulador Zener dois casos so os mais crticos2) Diminuio de Vi (ViMIN) com aumento de IL (ILMAX) O Zener perde corrente e no se pode permitir que ele saia de sua regio de ruptura pois deixaria de atuar como regulador de tenso passando a ser uma chave aberta (IZ muito pequena, idealmente zero). Para Iz no cair abaixo do valor mnimo de regulao, se Vi diminui, o resistor Rs no pode ser muito alto, para garantir a corrente mnima disponvel para o diodo zener. Tem-se para RS o seu valor mximo (RSMAX).

1) Aumento de Vi (ViMAX) com diminuio de IL (ILMIN) O Zener dever absorver a diferena de corrente (aumento de IZ) e no se pode permitir que este aumento faa com que o valor de IZMAX seja excedido. Para Iz no exceder o mximo valor, o resistor Rs no pode ter seu valor muito pequeno, o que levaria a uma corrente excessiva ao zener e carga. Tem-se o menor valor para Rs (RSMIN).38No primeiro caso, calcula-se o valor mnimo de Rs para que o valor de Iz mximo no seja ultrapassado

No segundo caso o valor de RS deve garantir uma corrente Iz mnima para que o diodo no saia da regio reversa e deixe de trabalhar como regulador

As duas condies tem que ser obedecidas simultaneamenteRegulador Zener: Circuito Bsico e Reta de Carga

Equacionamento para RS que Garante IZMIN< IZQ< IZMAXPara prevenir essas variaes, na prtica, deve-se adotar um valor de resistor comercial cuja resistncia se situe entre:

RS(MIN) e RS(MAX) (incluindo-se a sua respectiva tolerncia).

VDCVDC39Ento para evitar essas duas situaes ns temos essas duas expresses cujo resitor Rs tem que obedecer.Regulador Zener: Rejeio da Ondulao de EntradaOutro ponto interessante do regulador Zener a capacidade de rejeitar (atenuar) as ondulaes (componente AC) presentes no sinal de entrada.

Substituindo-se a segunda aproximao para o diodo Zener, verifica-se a presena da resistncia dinmica rZ em paralelo com a carga RL. Como, normalmente, rZ de pequeno valor, o resultado do paralelo de pequeno valor.Assim, para a componente AC do sinal de entrada, tem-se um divisor resistivo em que o menor valor de resistncia representa a tomada do sinal de sada.Pode-se estimar a relao entre a ondulao de entrada e a ondulao que passa para a sada da seguinte forma: 40Universidade Federal de ItajubGrupo de Microeletrnica40O diodo zener tem a propriedade de rejeitar ondula~eos em sua entrada.

Ento sabendo que diodo zener tem a chamada resistncia zener associada podemos calcular o quanto a ondulao ser atenuada atravs dessa formula.Regulador Zener: ExemploProjetar um regulador Zener considerando-se que a carga apresenta uma demanda de corrente de 80mA a 100mA, uma tenso nominal de operao de 5V10% e o sinal de entrada proveniente de um circuito retificador com filtro capacitivo:

Escolher um diodo Zener adequado que satisfaa: a condio de RS(MAX) > RS(MIN) com uma folga suficiente para acomodar um resistor de tolerncia 10% e a tenso de 5V10%.Tenso Zener mais prxima: 5V1 (5%)Considerar IZMIN = 10% de IZMAX41Universidade Federal de ItajubGrupo de Microeletrnica41Ento um exemplo.Regulador Zener: ExemploProjetar um regulador Zener considerando-se que a carga apresenta uma demanda de corrente de 80mA a 100mA, uma tenso nominal de operao de 5V10% e o sinal de entrada proveniente de um circuito retificador com filtro capacitivo:

O valor de RS possui uma variao de 10%, ou seja,0,90RS < RS < 1,10RSRS(MAX) = 1,22RS (MIN) (1,10/0,90)

42Universidade Federal de ItajubGrupo de Microeletrnica42Regulador Zener: ExemploProjetar um regulador Zener considerando-se que a carga apresenta uma demanda de corrente de 80mA a 100mA, uma tenso nominal de operao de 5V10% e o sinal de entrada proveniente de um circuito retificador com filtro capacitivo:

43Universidade Federal de ItajubGrupo de Microeletrnica43Regulador Zener: ExemploO diodo 1N4733A (PZ=1W, VZ=5,1V5% ) satisfaz as condies apresentadas

Valor comercial: 275% 25,6 < RS < 28,4Simulao para as Condies Limites

44Universidade Federal de ItajubGrupo de Microeletrnica44

Regulador Zener: ExemploVerificar a rejeio da ondulao. Algumas vezes, indicada em decibis (dB)

Simulao para Verificar a Rejeio da ondulao45Universidade Federal de ItajubGrupo de Microeletrnica45vi(wt)

VL = 5V10%

DZ

vi(wt)

VL = 5V10%

DZ

vi(wt)

VL = 5V10%

DZ