ELETROTÉCNICA ELETRÔNICA ANALÓGICA

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Introdução ao Diodo de Potência

AULA 1

Revisão da Física de Semicondutores

• Os Portadores: elétrons e lacunas

• Semicondutores dopados

• Recombinação

• Correntes de deriva e de difusão

Os Portadores: elétrons e lacunas

A passagem de corrente elétrica em um meio depende da aplicaçãode um campo elétrico e da existência de portadores livres (usualmenteelétrons) neste meio.

Em metais, como o cobre ou a prata, a densidade de portadoreslivres (elétrons) é da ordem de 1023 /cm3, enquanto nos materiaisisolantes, como o quartzo ou o óxido de alumínio, o valor é da ordem de103 /cm3 .

Os chamados semicondutores, como o silício, tem densidadesintermediárias, na faixa de 108 a 1019/cm3 .

Nos condutores e nos isolantes, tais densidades são propriedadesdos materiais, enquanto nos semicondutores estas podem ser variadas,seja pela adição de “impurezas” de outros materiais, seja pela aplicaçãode campos elétricos em algumas estruturas de semicondutores.


• Lacunas - Átomos de materias com 4 elétrons em suacamada mais externa (C, Ge, Si, etc.), permitem oestabelecimento de ligações muito estáveis (ligaçãocovalente). Em qualquer temperatura acima do zeroabsoluto (-273 oC), algumas destas ligações são rompidas(ionização térmica), produzindo elétrons livres. O átomo queperde tal elétron se torna positivo. Eventualmente um outroelétron também escapa de outra ligação e, atraído pelacarga positiva do átomo, preenche a ligação covalente. Destamaneira tem-se uma movimentação relativa da “cargapositiva”, chamada de lacuna, que, na verdade, é devida aodeslocamento dos elétrons que saem de suas ligaçõescovalentes e vão ocupar outras, como mostra a figura 1.


Figura 1 - Movimento de elétrons e lacunas em semicondutor

Semicondutores dopadosQuando se faz a adição de átomos de materiais que possuam 3 elétrons

(como o alumínio ou o boro) ou 5 elétrons (como o fósforo) em sua camadade valência à estrutura dos semicondutores, os átomos vizinhos a talimpureza terão suas ligações covalentes incompletas ou com excesso deelétrons, como mostra a figura 2.

Figura 2 - Semicondutores dopados

Semicondutores dopados

• Camadas Tipo P e N - Neste caso não tem-se mais o equilíbrio entreelétrons e lacunas, passando a existir um número maior de elétronslivres nos materiais dopados com elementos da quinta coluna da tabelaperiódica, ou de lacunas, caso a dopagem seja com elementos daterceira coluna. Respectivamente, produzem-se os chamados materiaissemicondutores tipo N e tipo P.

• Portadores Majoritários e Minoritários (Tipo P) - Quando a lacunaintroduzida pelo boro captura um elétron livre, tem-se a movimentaçãoda lacuna. Neste caso diz-se que as lacunas são os portadoresmajoritários, sendo os elétrons os portadores minoritários.

• Portadores Majoritários e Minoritários (Tipo N) Já no material tipo N, amovimentação do elétron excedente deixa o átomo ionizado, o que o fazcapturar outro elétron livre. Neste caso os portadores majoritários sãoos elétrons, enquanto os minoritários são as lacunas.

Recombinação

•Uma vez que a quantidade ni (produto das densidades de lacunas e deelétrons) é determinada apenas por propriedades do material e pelatemperatura, é necessário que exista algum mecanismo que faça arecombinação do excesso de portadores à medida que novos portadoressão criados pela ionização térmica. Tal mecanismo inclui tanto arecombinação propriamente dita de um elétron com uma lacuna em umátomo de Si, quanto a captura dos elétrons pela impureza ionizada.

•Tempo de Vida - Pode-se definir o “tempo de vida” de um portadorcomo o tempo médio necessário para que o elétron ou a lacuna sejam“neutralizados” pela consecução de uma ligação covalente. Em muitoscasos pode-se considerar o “tempo de vida” de um portador como umaconstante do material. No entanto, especialmente nos semicondutoresde potência, esta não é uma boa simplificação.

Recombinação

•Tempo de Comutação Devido a Temperatura - Quando ocorre umsignificativo aumento na temperatura do semicondutor, tem-se umaumento no tempo de recombinação do excesso de portadores, o queleva a um aumento nos tempos de comutação dos dispositivos de tipo“portadores minoritários”, como o transistor bipolar e os tiristores.

•Queda de tensão do Componente - Já em situações de alta dopagem(1017/cm3 ou superior), a taxa de recombinação aumenta,o que leva aum crescimento da queda de tensão sobre o dispositivo quando esteestá em condução.

Recombinação

•Tempo de Condução de um Semicondutor - Um dos métodos quepossibilita o “ajuste” do tempo de vida é a dopagem com ouro, uma vezque este elemento funciona como um “centro” de recombinação, umavez que realiza tal operação com grande facilidade. Outro método é o dairradiação de elétrons de alta energia, bombardeando a estruturacristalina de modo a deformá-la e, assim, criar “centros derecombinação”. Este último método tem sido preferido devido à suamaior controlabilidade (a energia dos elétrons é facilmente controlável,permitindo estabelecer a que profundidade do cristal se quer realizar asdeformações) e por ser aplicado no final do processo de construção docomponente.

Tipos de Diodos

• Funcionamento

• Tipos de Diodos• Diodos Lentos

• Diodos Rápidos

• Diodos Shottky

Diodos Funcionamento

•Diodo semicondutor - É uma estrutura P-N que, dentro de seus limites de tensão e de corrente, permite a passagem de corrente em um único sentido.

•Detalhes de funcionamento - Em geral desprezados para diodos desinal, podem ser significativos para componentes de maior potência,caracterizados por uma maior área (para permitir maiores correntes) emaior comprimento (a fim de suportar tensões mais elevadas). A figura 3mostra, simplificadamente, a estrutura interna de um diodo.

Figura 3 - Estrutura básica de um diodo semicondutor

Aplicando-se uma tensão entre as regiões P e N, a diferença de potencialaparecerá na região de transição, uma vez que a resistência desta parte dosemicondutor é muito maior que a do restante do componente (devido àconcentração de portadores).

Quando se polariza reversamente um diodo, ou seja, se aplica uma tensãonegativa no anodo (região P) e positiva no catodo (região N), mais portadorespositivos (lacunas) migram para o lado N, e vice-versa, de modo que a largura daregião de transição aumenta, elevando a barreira de potencial.

Por difusão ou efeito térmico, uma certa quantidade de portadoresminoritários penetra na região de transição. São, então, acelerados pelo campoelétrico, indo até a outra região neutra do dispositivo. Esta corrente reversaindepende da tensão reversa aplicada, variando, basicamente, com atemperatura.

Na Figura 4 pode ser vista a estrutura típica do diodo e formas de ondatípicas de comutação.

DiodosFuncionamento


Figura 4 - Estrutura típica de diodo e formas de onda

típicas de comutação do diodo.

Diodos FuncionamentoDurante t1 - Remove-se a

carga acumulada na região detransição. Como ainda não houvesignificativa injeção deportadores, a resistência daregião N- é elevada, produzindoum pico de tensão. Indutânciasparasitas do componente e dasconexões também colaboramcom a sobre-tensão.

Diodos FuncionamentoDurante t2 - Tem-se a chegada

dos portadores e a redução datensão para cerca de 1V. Estestempos são, tipicamente, daordem de centenas de ns.

Diodos FuncionamentoBloqueio (t3, t4 e t5) - A carga

espacial presente na região N- deve serremovida antes que se possa reiniciar aformação da barreira de potencial najunção. Enquanto houver portadorestransitando, o diodo se mantém emcondução. A redução em Von se deve àdiminuição da queda ôhmica. Quando acorrente atinge seu pico negativo é quefoi retirado o excesso de portadores,iniciando-se, então, o bloqueio dodiodo. A taxa de variação da corrente,associada às indutâncias do circuito,provoca uma sobre-tensão negativa.


Queima do Componente - Se o campo elétrico na região de transição formuito intenso, os portadores em trânsito obterão grande velocidade e,ao se chocarem com átomos da estrutura, produzirão novos portadores,os quais, também acelerados, produzirão um efeito de avalanche. Dadoo aumento na corrente, sem redução significativa na tensão na junção,produz-se um pico de potência que destrói o componente.

Diodos Tipos de Diodos

• Diodos Lentos (Retificadores, Diodos de Sinal)

• Diodos Rápidos (Retificadores P/ Alta Freqüência, Snubbers, Conversores etc.)

• Diodos Schottky

Diodos Curvas Características dos Diodos

O diodo de Potência é um dispositivo de junção PNde dois terminais. Esta junção é normalmente formada por fusão, difusão e crescimento epitaxial.

Diz-se que o diodo está diretamente polarizado quando... e reversamente quando...

p n

+ v -

Ânodo Cátodo

+ v -

Ânodo Cátodo


Quando ele esta reversamente polarizado flui uma corrente de fuga (leakage current) na faixa de micro a miliamperes;

Tensão de avalanche, ou tensão Zener, é atingida.

p n

+ vD -

Ânodo Cátodo

v

i

Ideal

)1e(II T

D

Vn

V

SD

Equação do diodo Schockley

i

vCorrente

reversa

de fuga

Real

VBR


ID = corrente através do diodo, em A;VD = tensão do diodo;Is = corrente de fuga (ou de saturação reversa) da

ordem de 10-6 a 10-15 A;n = constante empírica conhecida como coeficiente

de emissão ou fator de idealidade, cujo valor vária de 1 a 2;VT = tensão térmica (thermal voltage);

p n

+ vD -

Ânodo Cátodo

)1e(II T

D

Vn

V

SD

i

vCorrente

reversa

de fuga

Real

VBR


VT = tensão térmica (thermal voltage);

q = carga do elétron: 1,6022 x 10-19 coulomb (C);

T = temperatura absoluta em kelvin (K = 273 + oC)

k = constante de Boltzmann: 1,3806 x 10-23 J/K

Por exemplo, a 25 oC a tensão térmica, VT será de:

q

kTVT

mVx

xx

q

kTVT 8,25

106022,1

)25273(103806,119

23


ID será muito pequena se a tensão aplicada for menor que a tensão de limiar (threshold voltage) ou tensão de corte (cut-in voltage) ou tensão de ligamento (turn-on voltage). Assim, a tensão de limiar é aquela a partir da qual o diodo conduz completamente;

Exemplo: Se VD = 0,1 V, n = 1 e VT=25,8 mV teremos:

48,23 2,1%D SI I com um erro de

D D

T T

V V

nV nV

D S SI I ( e 1 ) I ( e )

p n

+ vD -

Ânodo Cátodo

i

vCorrente

reversa

de fuga

Real

VBR

Região de polarização direta

0,1

1 0,0258 48,23D

T

V

nV xD S S SI I ( e 1 ) I ( e 1 ) I ( 1 )


Ao aplicar tensões negativas ao semicondutor a corrente de fuga se mantém praticamente constante. Para tensões VD

negativas e superiores em módulo á tensão VT, pode-se dizer que ID é constante e igual a corrente de fuga IS.

p n

+ vD -

Ânodo Cátodo

i

vCorrente

reversa

de fuga

Real

VBR

Região de polarização reversa

D

T

V

nV

D S SI I ( e 1 ) I


A partir do instante em que a tensão reversa aplica entre os terminais de ânodo e cátodo do diodo ultrapassam o valor da tensão de ruptura reversa (breakdown voltage - VBR). A corrente reversa aumenta rapidamente para uma pequena variação na tensão reversa superior a VBR;

A operação dentro da região de ruptura reversa não será destrutiva se a dissipação de potência estiver dentro de um nível seguro.

p n

+ vAC -

Ânodo Cátodo

i

vCorrente

reversa

de fuga

Real

VBR

Região de ruptura reversa (breakdown region)

Diodos Exemplo 2.1

A queda de tensão direta de um diodo de potência é VD = 1,2V a ID = 300 A. Supondo que n = 2 e VT = 25,8 mV, encontrar a corrente de saturação IS.

i

vIS = Corrente reversa de fuga)1e(II T

D

Vn

V

SD

Ax)1e(I x

S

8108,252

2,1

1038371,23003

2.3 Curvas Características da Recuperação Reversa

A corrente na junção diretamente polarizada do diodo deve-se ao efeito dos portadores majoritários e minoritários.

Com a redução desta corrente a zero, o diodo continua conduzindo devido aos portadores minoritários que continuam armazenados na junção PN e no material semicondutor propriamente dito.

Os portadores minoritários requerem um certo tempo para se re-combinar com as cargas opostas e ser neutralizados. Esse tempo é chamado tempo de recuperação reversa (reverse recovery time) trr.

p n

+ vAC -

Ânodo Cátodo

Cparásito

O trr é função da tempe-

ratura da junção, da ta-

xa de decaimento da

corrente direta e de If.

IF

IRR

0,25.IRR

trr

ta

tb

di

dt

Diodos Tempo de Recuperação Reversa (trr)

2

rr RRMrr

t IQ

1. dif/dt – Taxa de Corrente Direta no Cruzamento por Zero

2. IRRM – Pico de Corrente de Recuperação Reversa

3. trr – Tempo de Recuperação Reversa

4. Qrr – Área Compreendida entre IRRM e trr

5. di(rec)M/dt – Pico da Taxa de Variação de tb

2.3 Curvas Características da Recuperação Reversa

trr é medido a partir do cruzamento por zero da corrente do diodo até 25 % da corrente reversa máxima (ou de pico) IRR.

ta deve-se ao armazenamento de cargas na região de depleção da junção. tb deve-se ao armazenamento de cargas no material semi-condutor. A relação ta/tb é conhecida como fator de suavidade (softness factor - SF). trr = ta + tb

IF

IRR

0,25.IRR

trr

ta

tb

di

dt

Recuperação Suave

(soft-recovery)

IF

IRR

trr

ta

tbRecuperação Abrupta

(fast-recovery)

dt

ditI aRR

Diodos Curvas Características da Recuperação Reversa

A carga de recuperação reversa Qrr é a quantidade de portadores de cargas que fluem através do diodo no sentido reverso devido à mudança na condição de condução direta para bloqueio reverso. Seu valor é determinado a partir da área abrangida pelo caminho de corrente de recuperação reverso.

bRRaRRRR tItIQ2

1

2

1

rrRRRR tIQ2

1

IF

IRR

trr

ta

tb

QRR

rr

RRRR

t

QI

2

di

dt

Diodos Curvas Características da Recuperação Reversa

Determinação de trr e IRR; Sabemos que:

IF

IRR

trr

ta

tb

rr

RRRR

t

QI

2

dt

ditI aRR

dtdi

Qtt RRarr

2

Se tb ta ; trr ta

dtdi

Qt RRrr

2 2RR RR

diI Q

dt

di

dt

Diodos Exemplo 3O tempo de recuperação reversa de um diodo é trr = 3 s e a

taxa de decaimento da corrente é de 30 A/s. Determinar a carga armazenada QRR e a corrente reversa de pico IRR.

dtdi

Qt RRrr

2

CxxsAxtdt

diQ rrRR 135)103(/305,0

21 262

Axxxxdt

diQI RRRR 9010301013522 66

IF

IRR

trr

ta

tb

di

dt

Diodos Problema 1

O tempo de recuperação reversa de um diodo é trr = 5 s e a taxa de decaimento da corrente é de 80 A/s. Se o seu fator de suavidade é SF = 0,5. Determinar (a) a carga armazenada QRR e (b) a corrente reversa de pico IRR.

IF

IRR

trr

ta

tb

di

dtA relação SF = ta/tb é conhecida

como fator de suavidade

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