Prof. Dr. Hamilton Klimach - chasqueweb.ufrgs.brhklimach/Slides/E077_3_Diodos.pdf · D nV V I D I S e q kT V T ... Tabela Periódica CONDUTORES ISOLANTES SEMICONDUTORES ENG-04077

1

DELET - EE - UFRGS

Circuitos Eletrônicos I

ENG 04077

DIODO DE JUNÇÃO

Prof. Dr. Hamilton Klimach

ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 2

Dispositivos Eletrônicos Elementares

ATIVOS

(amplificação)

PASSIVOS

(relação IxV)

Transistor de

Junção Bipolar

BJT

Transistor de

Efeito de Campo

FET

NPN

PNP

de Junção

JFET

de Porta Isolada

MOSFET

Canal N

Canal P

Lineares

Não-Lineares

Não-reativo: R

Reativos: L, C

Diodos

Termistores

Varistores

...

DISPOSITIVOS

ELETRÔNICOS


Diodo

Válvula Unidirecional Diodo Semicondutor

DIODO CORTADO

DIODO CONDUZINDO


Diodo Ideal

Curva do Diodo Ideal Símbolo do Diodo

Circuito Equivalente

Comportamento NÃO Linear

CORTE CONDUÇÃO


Diodo Ideal

Modos de Operação

Modo de polarização DIRETA

“CONDUÇÃO”

Modo de polarização REVERSA

“CORTE”


Exercício 1

Considere os diodos ideais. Calcule o valor de I e V.


Diodo Ideal – Retificador

Circuito Retificador Modo Condução

Modo Corte



Funcionamento

Polarização Reversa

Polarização Direta



• O procedimento de análise envolve a “descoberta” dos pontos em que o diodo PASSA da condução ao corte e vice-versa.

• Descobertos estes pontos, APLICA-SE O MODELO ELÉTRICO DO DIODO EM CADA UMA DAS REGIÕES DE OPERAÇÃO.

Funcionamento

Reposta no Tempo vo X vI

Curva de Transferência

Vo = VI

Vo = 0



Qual a tensão sobre o diodo?

Funcionamento


Aplicação – Carregador de Bateria

• O circuito abaixo pode ser empregado como um carregador de bateria. Determine: – a fração de tempo em que o diodo conduz;

– o pico de corrente no diodo.


Exercício 2

Considere os diodos ideais e calcule

o valor de I e V.

• quando há mais de um diodo em um

circuito, como não sabemos ‘a priori’

qual a condição de operação de cada

diodo, se propõe hipóteses e se verifica

sua validade, considerando as opções

‘diodo conduzindo’ e ‘diodo cortado’.

• Como o circuito tem 2 diodos, as 4

hipóteses possíveis são: – D1 off, D2 off - D1 on, D2 off

– D1 off, D2 on - D1 on, D2 on


Exercício 3

Considere os diodos ideais e calcule

o valor de I e V.

• Como o circuito tem 2 diodos, as 4

hipóteses possíveis são: – D1 off, D2 off

– D1 on, D2 off

– D1 off, D2 on

– D1 on, D2 on


Aplicação – Portas Lógicas

• Um conjunto de diodos pode ser utilizado para implementar portas lógicas simples.

Porta “OU” Porta “E”


Diodo Real

15


Diodo de Silício – Curva IxV

Curva Ideal Curva Real

CONDUÇÃO

DIRETA

CORTE



Curva Real

CONDUÇÃO

DIRETA

CORTE

Ruptura!

CONDUÇÃO

REVERSA



1T

D

nV

V

SD eIIq

kTVT n: 1 a 2 Eq. diodo:

Constante de Boltzmann k = 1,38x10-23 J/K

Carga do elétron q = 1,6x10-19 C

Para:

T = 20C, VT = 25,2 mV ≈ 25 mV

T = 27C, VT = 25,9 mV ≈ 26 mV

T

D

nV

V

SD eII Direta: p/ VD> 100mV

SD II Reversa:

(“corrente de fuga”)

p/ VD< –100mV



• Dependência da temperatura do diodo em polarização direta com corrente constante.

•A tensão de junção VD cai aproximadamente 2mV para cada 1C de incremento na temperatura.

•Sob maior temperatura, os elétrons tem mais energia cinética e um maior número conseguiria

atravessar a barreira de potencial da junção; assim, para se manter a mesma corrente, necessita-se

uma menor tensão direta.

Dependência com a Temperatura



Dependência com a Temperatura @ Corrente Constante



Dependência com a Temperatura

Potencial de

bandgap do Silício

Vbg ≈ 1,17 V


Junção Semicondutora

• Estrutura simplificada de um diodo de junção

• Existe uma região de “contato” (junção) de dois

materiais com propriedades elétricas diferentes

Junção Semicondutora


Tabela Periódica

CONDUTORES

ISOLANTES SEMICONDUTORES


O Silício

• O Si é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre (depois do Fe)

• É obtido do minério de Sílica ou do Quartzo

• É purificado até graus de pureza de 99,9999999% para ser usado na indústria de semicondutores


Estrutura do Átomo

O Átomo é ~50.000 vezes o tamanho do Núcleo


Estrutura do Átomo

Prótons são mantidos ‘colados’ por Neutrons


Ligação Atômica

Forças de atração e repulsão entre átomos


Ligação Atômica

Condição de Equilíbrio entre Átomos

ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I

• Como o Si possui 4 elétrons no último orbital, faz parte do grupo IV e permite 4 ligações covalentes

• Seu cristal tem estrutura regular, com disposição tetraédrica (cada átomo é ligado a outros 4 átomos)

• A repetição contínua dessa estrutura forma o monocristal de Si, que é a base de fabricação dos dispositivos semicondutores e circuitos integrados

29

Cristal de Silício


• Método Czochralski:

• O cristal de silício puro é fundido

• Uma semente monocristalina é introduzina na superfície

• A semente é puxada e rotada de forma a solidificar um monocristal cilíndrico no entorno

• O lingote monocristalino é desbastado, fatiado e polido, resultando em wafers com 0.6mm de espessura

30

Lingote MonoCristalino de Silício

Wafer Slicing


• Um Wafer pode conter milhares de pastilhas idênticas

• Cada pastilha pode conter bilhões de transistores

31

Wafer de Silício


Condutores, Isolantes e

Semicondutores

• Os níveis de energia que estão associados aos orbitais dos elétrons no átomo são

quânticos, podendo apenas assumir valores discretos.

• Quando diversos átomos se aproximam e se ligam, formando um cristal, seus

orbitais mais externos interagem, resultando em uma grande quantidade de novos

níveis de energia possíveis.

• Os níveis de menor energia são devido aos orbitais mais internos, que pertencem

individualmente a cada átomo, compondo o que se chama “banda de valência” do

cristal; os elétrons que localizados nestes níveis estão presos ao respectivo átomo.

• Os níveis de maior energia são devido aos orbitais mais afastados dos núcleos

dos átomos e definem uma região compartilhada por todos os átomos do

cristal, chamada “banda de condução”; os elétrons localizados nestes níveis estão

livres e podem fluir entre os átomos do cristal.



Semicondutores

• Um material é dito CONDUTOR, quando após preenchida a banda de valência,

sobram elétrons nos níveis da banda de condução, os quais são livres e se

movimentam se submetidos a um campo elétrico (tensão).

• Um material é dito ISOLANTE, quando somente possui elétrons nos níveis da

banda de valência (a banda de condução está vazia), os quais estão presos a cada

átomo e não conseguem se movimentar.

• Caso, em um material isolante, a “distância energética” entre as bandas de

valência e condução seja pequena (poucos eV), alguns elétrons da banda de

valência que receberem energia externa (calor, luz, etc) podem conseguir ocupar

momentaneamente a banda de condução, ficando livres e podendo se movimentar

no material, o que determina uma certa “condutividade elétrica”. Estes materiais

são chamados SEMICONDUTORES.

• A “zero” Kelvin e sem incidência de qualquer forma de energia externa, um

semicondutor se comporta como isolante (condutividade zero).



Semicondutores


Silício Monocristalino Intrínseco

• Os átomos são mantidos unidos através do compartilhamento de elétrons, em ligações covalentes

• Os elétrons presos a estas ligações não estão livres

• Cada átomo possui 4 elétrons no último orbital e se liga a outros 4 átomos para preencher seu último orbital O Si cristalino possui cerca de 5x1022 átomos por cm3.


Silício Monocristalino Intrínseco

• Algumas ligações covalentes rompem por agitaçação térmica (ionização)

• Portadores de carga livres são gerados possibilitando a condução de corrente (elétrons e lacunas livres)

• Há contínua geração e recombinação de pares elétron-lacuna

• Geração térmica de portadores: condutividade aumenta com a temperatura

• O Si é chamado de semicondutor porque sua condutividade está entre a dos condutores e a dos isolantes.

No Si se encontra cerca de 1010 pares elétron-lacuna livres

por cm3 gerados termicamente a 300K (27 ºC) .


Silício Monocristalino Extrínseco - N

• Criado através de contaminação controlada (dopagem) do Si puro

• Cada átomo de impureza cria um elétron livre (portador majoritário)

• Inserção de impurezas doadoras do Grupo V cria o silício Tipo N

• Fósforo (P) e Arsênico (As) possuem 5 (4+1) elétrons no último orbital

Geralmente se utiliza concentrações de dopantes entre 1015

e 1019 átomos por cm3 de Si.


Silício Monocristalino Extrínseco - P

• Criado através de contaminação controlada (dopagem) do Si puro

• Cada átomo de impureza cria um elétron livre (portador majoritário)

• Inserção de impurezas aceitadoras do Grupo III produz silício Tipo P

• Boro (B) e Alumínio (Al) possuem 3 (4-1) elétrons no último orbital

Geralmente se utiliza concentrações de dopantes entre 1015

e 1019 átomos por cm3 de Si.


Concentrações de portadores

• Silício intrínseco cristalino:

– ≈ 5x1022 átomos/cm3

– ≈ 1010 portadores/cm3 @ 300 K (27 ºC) por geração

térmica (portadores minoritários)

• Concentração de dopantes (Si extrínseco):

– em torno de 1015 a 1019 átomos/cm3 (cada átomo dopante

gera um portador livre – majoritário)

– o Si é considerado degenerado quando dopado acima de

1020 átomos/cm3


Concentrações de portadores

• Silício cristalino intrínseco vs extrínseco:


• Corrente elétrica é o deslocamento de portadores de carga elétrica (elétrons ou “lacunas” livres): I = ΔQ/Δt

• Existem dois mecanismos que provocam o movimento de portadores: Difusão: agitação térmica Deriva: campo elétrico

• q: carga do elétron

• A: área da seção considerada

• μ: mobilidade dos portadores

• n: concentração de portadores (cargas livres)

• V: tensão externa aplicada

• Vt: potencial térmico (kT/q = 26mV @ 27ºC)

Mecanismos de Condução de Carga - A

Corrente Elétrica

dx

dnVqAI tdif

dx

dVnqAIder


Junção pn em Aberto

Junção pn em Circuito Aberto Distribuição do potencial

Região de Depleção


Polarização da Junção

Junção pn em Polarização Reversa

A capacitância de depleção é modulada através de um potencial aplicado reversamente:

Varicap, utilizado na sintonia de circuitos receptores de RF.


Polarização da Junção

Junção pn em Polarização Direta


Diodo Real

Análise de Circuitos

45


Solução Analítica

• Sistema de equações NÃO Lineares

DDDD IRVV

T

D

nV

V

SD eII


Solução Gráfica

R

VVI DDD

D

Conceito de Ponto de Operação – Q


Modelo Simplificado 2 parâmetros

• Aproximação da

curva exponencial

por segmentos de

reta.


Modelo Simplificado 2 parâmetros


Solução Analítica com o Modelo

D

DDDD

rR

VVI

0

DDDD IrVV 0

Solução Analítica com Modelo VD+rD:


Modelo Simplificado 1 parâmetro


Modelo Simplificado 1 parâmetro

Diodo de Junção pn Ideal


Diodos Operação sob Sinal

53


Modelo de Pequenos Sinais

• A fonte VD define o valor médio das tensões e correntes (Ponto Quiescente – Q)

– Análise CC

• A fonte vd é uma variação no entorno de Q

– Análise CA

CC

CA


Análise Polarização + Sinal

)()(

)()(

tvVtv

tvVtV

DDD

sCC

Polarização – CC Pequenos Sinais - CA

DQ

T

QS

DT

DD

Dd

I

nV

I

inV

ii

vr

ln


Exemplo

• O circuito ao lado é utilizado como regulador de tensão.

• Determine o comportamento deste regulador considerando:

– Uma variação de 10% na tensão da fonte

– O comportamento deve ser analisado SEM e COM a ligação de um resistor de carga de 1kΩ

– Suponha VD0 = 0,7V, VT = 26mV e n = 2

• Quanto varia percentualmente a tensão de saída para os dois casos? (sem e com carga)

R:

%6,23,26:/

%9,14,19:/

O

OO

O

OO

V

VmVpVcc

V

VmVpVcs


Diodo em Polarização Direta

Curva Real Modelo com 2

parâmetros

Modelo Ideal


Diodo em Polarização Direta

Modelo de Pequenos Sinais (AC) Modelo Polarização (CC)


Diodos Retificadores Fontes de Alimentação

59


Fonte Alimentação

Diagrama em Blocos


Retificador de Meia Onda

Retificador Circuito Equivalente

Curva de Transferência Formas de Onda de Entrada e Saída

Obs: tensão reversa

nos diodos igual ao

valor de pico de Vs


Retificador de Onda Completa – tap

central

Curva de Transferência

Formas de Onda de Entrada e Saída

Obs: quando reversamente

polarizado, cada diodo terá de

suportar uma tensão máxima de até

2xVs_pico-VD


Retificador de Onda Completa – ponte

de diodos

Formas de Onda de Entrada e Saída

Obs: tensão reversa

nos diodos igual ao

valor de pico de Vs


Filtro – sem carga

•O CAPACITOR é carregado através do diodo, armazenando energia (carga elétrica).

•Após carregado, não há caminho de descarga, e a tensão no capacitor se mantém

constante.


Filtro – com carga


Aproximação para Projeto do Filtro

r

LCC

V

TICdti

Cv

1T= 16,7ms p/ ½ onda em 60Hz

T= 8,3ms p/ onda completa em 60Hz


Retificador de onda completa com

capacitor-filtro: simulações


Escolha dos Diodos

Especificação do Diodo (ex. 1N400X):

•Corrente média máxima (IFAV): corrente direta média que o diodo suporta em uso contínuo

•Corrente de pico repetitiva máxima (IFRM): corrente direta de pico que o diodo suporta

repetidamente em uso e está relacionada aos ciclos de recarga do capacitor

•Corrente de pico não-repetitiva máxima (IFSM): corrente direta de pico que o diodo suporta

sem repetição (ou com repetição espaçada) e está relacionada ao ciclos de carga completa do

capacitor, que ocorre quando a energia é ligada


Diodo Zener e Reguladores de Tensão

69


Diodo Zener

• Os diodos Zener operam na região de “ruptura reversa”

– Vz < 5V – Efeito Zener (Coef. Térmico negativo)

– Vz > 5V – Efeito Avalanche (Coef. Térmico positivo)

Símbolo

Curva IxV Característica

maxmin

nom

max

1,0 ZZ

Z

ZZ

II

V

PI

Limites de Operação


Modelo do Diodo Zener – polarização

reversa

ZzZZ IrVV 0

Símbolo

Modelo

Eq. de Modelo


Manual da Série BZX79 Philips


Regulador Paralelo Com Zener

• O diodo Zener do

circuito tem

– Vz = 6,8V@5mA

– rz = 20Ω

– IZK= 0,2mA (IZmin)

ZzZZ IrVV 0


Regulador de Tensão

• Reguladores para Fontes de Alimentação

– Lineares

• Regulador Série (ex.: 7805, LM319)

• Regulador Paralelo (ex: zener, TL431)

– Chaveados

Interruptor

e

Proteções

Transformador Retificador Filtros

REGULADOR

DE TENSÃO Carga

Rede

AC


Regulador de Tensão – Função

• Estabilizar a tensão de saída (fornecida à carga)

contra:

– Variações na tensão da rede AC (flutuações)

– Variações de consumo da carga (IL)

– ripple

– outras perturbações


Tipos de reguladores lineares

• Série

– O elemento de regulação encontra-se em série com a

carga (regulação em tensão)

– A queda de tensão sobre o regulador é ajustada

continuamente de forma a manter VL estável, mesmo

com variações em VF

Transformador

+

Retificador

+

Filtros

Rede

AC Regulador

Carga

+

VL

-

+

VF

-

IF IL


Tipos de reguladores lineares

• Paralelo

– O elemento de regulação encontra-se em paralelo com a carga (regulação em corrente)

– A corrente de regulação é convertida em queda de tensão por uma impedância (Z); esta corrente é continuamente ajustada de forma a manter VL estável, mesmo com variações em VF

Transformador

+

Retificador

+

Filtros

Rede

AC

Regulador Carga

+

VL

-

+

VF

-

IF IL

Z


Projeto: Regulador de Tensão

R

+

VZ

–

Dz VF

IZ

RL

IF

+

–

IL

VL

+

–

Regulador

• O regulador de tensão paralelo com zener é projetado através do dimensionamento de seus componentes, ou:

1)Diodo Zener: definição do seu valor nominal de tensão e potência; outros parâmetros podem ser dimensionados, como sua estabilidade térmica, resistência dinâmica, etc.

2)Resistor Série: definição do seu valor nominal e potência.

LZnomF

Z IR

VVI

Corrente no Zener:

maxmin

nom

max 1,0 ZZ

Z

ZZ II

V

PI

Limites da corrente no Zener:



• Condições a serem satisfeitas 1)Regulação Mínima: quando a tensão

VF for mínima e a carga RL consomir a máxima corrente, deve sobrar para o Zener a mínima corrente que garante boa regulação (IZmin).

• Assim:

minmax

minmax

ZL

ZnomF

II

VVR

max

max

minmin L

ZnomFZ I

R

VVI

R

+

VZ

–

Dz VF

IZ

RL

IF

+

–

IL

VL

+

–

Regulador



• Condições a serem satisfeitas 2)Segurança do Zener: quando tensão

VF for máxima e a carga RL consomir a mínima corrente, a corrente de Zener não deve ultrapassar o limite máximo permitido, para que o Zener não seja destruído (IZmax).

• Assim:

maxmin

maxmin

ZL

ZnomF

II

VVR

min

min

maxmax L

ZnomFZ I

R

VVI

R

+

VZ

–

Dz VF

IZ

RL

IF

+

–

IL

VL

+

–

Regulador



• Assim, obtém-se através da especificação uma faixa de valores para o projeto de ‘R’.

• Deve-se selecionar um valor comercial para ‘R’, considerando-se que:

– ‘R’ próximo de Rmax reduz a corrente no zener, aumentando o rendimento e reduzindo a regulação (maior rz);

– ‘R’ próximo de Rmin aumenta a corrente no zener, reduzindo o rendimento e aumentando a regulação (menor rz);

• O projeto deve resultar em

• Caso contrário, deve-se alterar alguma definição já feita, como a escolha da potência do zener.

minmax RR

maxmin

maxmin

minmax

minmax

ZL

ZnomF

ZL

ZnomF

II

VVR

II

VVR


Especificação de Reguladores

• Normais

– VLnom

– Corrente de saída máxima e mínima (ILmax e ILmin)

– Variação % de VF

• Outras

– Valor nominal de VF (trafo + filtro)

– Potência máxima do Zener

– Regulação de VL

– Rendimento: η=PL/PI


Diodos Circuitos Limitadores e Conformadores

83


Circuitos Limitadores

vi vo



• Restringir a excursão de

um sinal dentro de

certos limites

– limite superior L+

– limite inferior L-

– ganho K (faixa não

limitada)



• Limitador Ideal

• Limitador Real

(uso de diodos)


Circuitos Limitadores – exemplos

• Limite superior

• Limite inferior



• Dois limites

• Ajuste do limite



• Fixação de limites através de diodo zener


Circuitos Conformadores

• Alteram a forma de um sinal, através da definição

de uma função entrada-saída não-linear e arbitrária

5,7V

-5,7V

5,7V 8,85V

12V vi

vo

inclinação 1:1

inclinação 2:1


Circuitos Conformadores – exemplo

• Gerador de Funções: ondas retangular, triangular e senoidal

Integrador

dtvR

Comparador

vo

vi

Conformador

vo

vi

Retangular

Triangular

Senoidal

vT

vR

vS


Circuitos Conformadores – exemplo

• Conformador senoidal simples:

– cada quadrante da senóide é aproximado através de 3 segmentos de reta

– os dois pontos de transição entre os 3 segmentos são determinados pelas tensões dos zeners

– funciona para os semi-ciclos positivo e negativo

– necessita de um sinal triangular com 10Vp

R=1k

DZ1

3V3

DZ2

vo

+

–

R1=2,7k

DZ3

5V6

DZ4

R2=390

vi

+

–

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